Aby uzyskać beton trwały i o wysokiej jakości, kruszywa należy dobierać, biorąc pod uwagę obecność składników szkodliwych, a następnie ich właściwości fizykomechaniczne, stosownie do agresywności środowiska. Po akceptacji tych parametrów można opracować optymalny stos okruchowy.
Stos okruchowy – mieszanina kruszyw o różnych uziarnieniach i żądanych właściwościach, przeznaczona do wykonywania konkretnego zgodnego z zaprojektowanym składem betonu.
Matryca cementowa – stwardniały zaczyn cementowy.
Od lat zainteresowania technologów betonu kierowane są głównie na dwa zagadnienia: zaprojektowanie odpowiednio trwałej matrycy cementowej i ułożenie jak najbardziej optymalnego stosu okruchowego. Oprócz struktury zaczynu to właśnie właściwości geometryczne kruszywa są tymi, które w największym stopniu decydują o jakości betonu i mieszanki betonowej. Należy jednak zauważyć, że jakość betonu to także jego trwałość, a ta jest ściśle związana nie tylko z uziarnieniem kruszywa, ale także z jego cechami fizycznymi i chemicznymi (fot.). Wykaz najważniejszych właściwości kruszywa do betonu wraz z normami badawczymi i kryteriami, według których należy dokonywać ich oceny, został podany w normie PN-EN 12620+A1:2010 [1]. Wymieniono w niej łącznie ok. 28 cech, które w zależności od znaczenia podzielono na:
– podstawowe właściwości kruszywa (tab. 1),
– właściwości specyficzne, zależne od końcowego zastosowania (tab. 2),
– właściwości, które związane są z rodzajem kruszywa i powinny być badane jedynie dla specyficznych źródeł (tab. 3).
Wszystkie te cechy mogą wpływać w sposób mniej lub bardziej istotny na jakość betonu i/lub mieszanki betonowej.
Poniżej omówiono krótko wpływ poszczególnych właściwości na beton, w podziale na cechy geometryczne, fizyczne, chemiczne i trwałość (tak jak to jest formalnie ujęte w normie). W tym miejscu warto podkreślić, że wkrótce oczekiwana jest istotna nowelizacja wszystkich podstawowych zharmonizowanych norm na kruszywa, która zmieni w znaczący sposób m.in. niektóre definicje i podstawowe kategorie uziarnienia.
Tab. 1 Podstawowe właściwości kruszyw
|
Tab. 2 Właściwości specyficzne dla zastosowania końcowego
|
Tab. 3 Właściwości dla kruszyw pochodzących ze specyficznych źródeł
Kruszywo |
Właściwości |
Kruszywa morskie |
Zawartość muszli Zawartość chlorków |
|
Stabilność objętości – skurcz przy wysychaniu |
Wszystkie kruszywa |
Składniki zawierające siarkę (siarka, siarczany rozpuszczalne w kwasie) Substancje organiczne (humus, kwas Fuldo, porównawcze badanie wytrzymałości – czas tężenia, lekkie zanieczyszczenia organiczne) |
Żużel wielkopiecowy |
Rozpad krzemianu-dwuwapniowego Rozpad związków żelaza |
Kruszywa z recyklingu |
Wpływ na początkowy czas wiązania cementu Składniki grubych kruszyw z recyklingu Gęstość ziaren i nasiąkliwość Siarczany rozpuszczalne w wodzie Zawartość chlorków |
Właściwości geometryczne kruszywa
Znaczenie właściwości geometrycznych
Właściwości geometryczne kruszywa, do których można zaliczyć uziarnienie, wskaźnik kształtu lub płaskości, zawartość muszli, zawartość pyłów i, niewymienioną w normie [1], zawartość ziaren przekruszonych, decydują o podstawowej charakterystyce betonu i mieszanki betonowej. Odpowiadają za jego urabialność, wodożądność, szczelność i jamistość, podatność na segregację, wpływając poprzez te parametry na jego wytrzymałość i trwałość.
Podstawowym zadaniem technologa betonu jest skomponowanie optymalnego stosu okruchowego, najczęściej z dwóch lub trzech kruszyw. Zakres dobrego uziarnienia (krzywe na rysunku) – jakim powinien się taki stos charakteryzować – można znaleźć w licznych podręcznikach i dokumentach normowych, m.in. w nieaktualnej już normie PN-B 06250:1988 [2]. Teoretycznie obszar między górnymi a dolnymi granicami pola dobrego uziarnienia powinien zapewnić szczelność stosu okruchowego i odpowiednią ciągłość mieszanki betonowej, jednak jakość uzyskanego stosu okruchowego mogą modyfikować pozostałe właściwości geometryczne. Z tego powodu przy projektowaniu betonu należy brać je pod uwagę i wprowadzać doświadczalnie, lub tam gdzie to możliwe obliczeniowo, odpowiednie poprawki.
Uziarnienie
Ze względu na uziarnienie kruszywo dzieli się na kruszywo drobne, grube i o ciągłym uziarnieniu. W normie [1] wskazano jeszcze tzw. kruszywo o uziarnieniu naturalnym, ale zgodnie z definicją mieści się ono w zakresie uziarnienia ciągłego. Podział kruszywa na kruszywo drobne (piasek) i kruszywo grube (żwir lub grys) jest uzasadniony rolą, jaką odgrywa ono w betonie. Podczas gdy kruszywo drobne może pełnić funkcję stabilizującą mieszankę betonową, wpływając na jej lepkość, urabialność i podatność na segregację, to kruszywo grube stanowi głównie objętościowe wypełnienie. Według normy [1] graniczny wymiar stanowi 4 mm, w technologii betonu przyjęto jednak posługiwać się terminem „punkt piaskowy”, oznaczającym frakcje do 2 mm. Jak istotny jest to podział, świadczy fakt, że często projektowanie stosu okruchowego betonu rozpoczyna się i kończy na ustaleniu określonego punktu piaskowego, zapewniającego wystarczającą pompowalność czy urabialność mieszanki betonowej.
Z wielkością ziarna wiąże się także podstawowa właściwość kruszywa, jaką jest wodożądność – czyli zapotrzebowanie na wodę, aby uzyskać określoną konsystencję mieszanki betonowej. Jest ona uzależniona od wielkości powierzchni ziarna, czyli przede wszystkim jego rozmiaru, chociaż wpływa na nią także chropowatość i kształt ziarna. Im kruszywo drobniejsze, tym więcej ziaren znajduje się w określonej jednostce masy lub objętości, tym większa sumaryczna powierzchnia tych ziaren i tym większa wodożądność stosu okruchowego. Z różnych funkcji i właściwości poszczególnych frakcji kruszywa wynika szukanie pewnej równowagi przy opracowywaniu receptur betonu: z jednej strony dąży się do stosu okruchowego jak najmniej wodożądnego, tak aby osiągnąć beton o jak najmniejszym skurczu, jak najbardziej szczelny i o jak największej wytrzymałości, a z drugiej strony nie można zapominać o właściwościach reologicznych mieszanki betonowej oraz jakości powierzchni elementów betonowych, których wygląd jest uzależniony od dużej ilości drobnych części. Z tego powodu w wytycznych dotyczących betonów samozagęszczalnych, architektonicznych czy betonów posadzkowych bardzo często znajdują się dodatkowe wymagania dotyczące frakcji poniżej 0,125 mm lub 0,25 mm, mające w zamierzeniu ograniczyć skurcz i bleeding (oddawanie wody przez mieszankę betonową) lub poprawić jakość powierzchni czy ustabilizować mieszankę betonową. Należy nadmienić, że wymagania stawiane niektórym betonom (jednocześnie estetyka, urabialność i trwałość) są często niemożliwe do spełnienia samym tylko doborem uziarnienia i zwykle konieczne jest stosowanie domieszek: upłynniających, stabilizujących i ograniczających bleeding. Wielkość ziaren ma znaczenie jeszcze z jednego względu. Za najsłabszą część betonu zwykłego, bez dodatków pyłu krzemionkowego, przyjmuje się zwykle strefę kontaktową kruszywo/ zaczyn. Wielkości do kilkudziesięciu mikrometrów wokół kruszywa charakteryzują się znacznie podwyższoną porowatością. Może ona decydować m.in. o przepuszczalności betonu, szybkości dyfuzji chlorków, karbonatyzacji, wytrzymałości. Im kruszywo jest drobniejsze, tym strefa ta obejmuje większy obszar.
Przy układaniu stosu okruchowego, szczególnie przy betonach wysoko- wartościowych i w prefabrykacji elementów wibroprasowanych, kluczową rzeczą jest powtarzalność uziarnienia, stąd m.in. obowiązek deklarowania przez producentów także tolerancji na sitach pośrednich. Brak powtarzalności uziarnienia może być przyczyną znacznych wahań jakości betonu i nieustabilizowania jego produkcji. Zmienność stosu okruchowego ma wpływ na konsystencję i może mieć także wpływ na rzeczywisty stosunek w/c, co nawet przy niewielkich różnicach może skutkować wyraźnymi defektami estetycznymi (różnica barwy jest już widoczna przy różnicy w/c rzędu 0,2).
Rys. Przykładowe krzywe graniczne kruszywa wg [2]
Pyły
Nieco innym zagadnieniem jest występowanie pyłów w kruszywie. Gdy są one dodawane w postaci wypełniaczy do mieszanki betonowej, stanowią pełnowartościowy jej składnik wpływający korzystnie na właściwości reologiczne. Wodożądność pyłów można wówczas zrekompensować domieszkami chemicznymi, w rezultacie uzyskując betony o wysokich parametrach jakościowych. Inaczej jest, gdy pyły występują w kruszywie jako zanieczyszczenie, oblepiając powierzchnię ziaren. Wówczas ich negatywna rola polega głównie na izolowaniu kruszywa od zaczynu cementowego, osłabiając w ten sposób już i tak słabą strefę kontaktową. Szkodliwość pyłów w dużym stopniu zależy od składu, niektóre z nich mają właściwości pęczniejące lub jonowymienne, inne są zupełnie inertne.
Kształt kruszywa
Pozostałe właściwości geometryczne kruszywa zależą ściśle od rodzaju skały, z której ono powstało, jego charakterystyki petrograficznej, teksturalnej i strukturalnej oraz sposobu przekruszenia. Kształt kruszywa modyfikuje w znaczący sposób właściwości obliczeniowo ustalonej krzywej stosu okruchowego. Ziarna płaskie i wydłużone charakteryzują się większą powierzchnią od ziaren izometrycznych, wpływając na wodożądność i urabialność mieszanki betonowej; są trudniejsze do zagęszczenia, mają większą tendencję do segregacji, łatwo powstają pod nimi pustki i raki. Podobnie negatywnie jak kształt kruszywa oddziałują muszle obecne w kruszywach pochodzenia morskiego i powierzchnia ziaren przekruszonych. Ta ostatnia cecha wpływa istotnie na wodożądność kruszywa, zwiększając ją w grysach zwykle o 10-15% w stosunku do wodożądności żwirów i znacznie zmniejszając urabialność mieszanki betonowej. Przekruszenie ziaren może jednak być także korzystne, ponieważ szorstka powierzchnia daje możliwość lepszej fizycznej przyczepności zaczynu cementowego. Właściwości dotyczące kształtu kruszywa: wskaźnik płaskości lub kształtu, zawartość muszli bada się tylko dla kruszyw grubych, ale w kruszywach drobnych wpływ na urabialność betonu bywa jeszcze większy niż w przypadku kruszyw grubych. Widać to szczególnie przy piaskach łamanych lub kruszywie z recyklingu, które we frakcji poniżej 4 mm ma zdecydowanie negatywny wpływ na parametry betonu. Badanie ziaren nieprzekruszonych, również odnoszące się do kształtu kruszywa, nie jest niestety badaniem powołanym w normie [1]. Mimo to warto jest je wykonywać lub przynamniej zaznaczać obecność ziaren łamanych w tradycyjnie stosowanych nazwach kruszywa: „żwir”, „grys”, „grys z otoczaków” lub „żwir kruszony”.
Właściwości fizyczne i trwałość
Właściwości fizyczne i trwałość kruszywa są pochodną składu i wykształcenia petrograficznego skały, z których ono powstało. Norma [1] zalicza do właściwości fizycznych i trwałościowych: nasiąkliwość i gęstość, mrozoodporność badaną bezpośrednio (trzy metody), reaktywność alkalia-krzemionka, odporność na ścieranie (trzy metody), polerowanie, wytrzymałość na rozdrabnianie, skurcz przy wysychaniu. Wymienione cechy mają zasadnicze znaczenie, jeżeli chodzi o jakość betonu w środowiskach o określonej agresywności. Ze względu na występujące w Polsce warunki klimatyczne i częstotliwość zgłaszanych reklamacji odnośnie do właściwości betonu do najważniejszych można zaliczyć mrozoodporność i związaną z nią nasiąkliwość. Należy przy tym zwrócić uwagę na często pojawiający się problem: mrozoodporność badana w wodzie zupełnie nie oddaje trwałości kruszywa narażonego na oddziaływanie soli. Często jest tak, że kruszywo o bardzo dobrej deklarowanej odporności na mróz (kategoria F1, ubytek masy poniżej 1%) w obecności środków odladzających jest niemrozoodporne (ubytek masy nawet powyżej 12%). Problemy sprawia także reaktywność alkalia-krzemionka, której lekceważenie w polskich warunkach skutkuje niejednokrotnie wadami dyskwalifikującymi z użycia elementy betonowe o wysokich wymaganiach jakościowych dotyczących powierzchni.
Fot. Efekt zastosowania niemrozoodpornego kruszywa w betonie o dobrej, trwałej matrycy cementowej
Właściwości chemiczne kruszyw
Właściwości chemicznych, takich jak zawartość chlorków, siarki, związków organicznych, nie można zwykle przypisać konkretnej skale. Ich obecność wiąże się najczęściej z zanieczyszczeniem kruszywa (chlorki, związki organiczne) lub zjawiskami mineralizacji danej skały (siarczki). Niektóre właściwości chemiczne są jednak związane z konkretnym typem kruszywa tak jak rozpady (krzemianowy i związków żelaza) z żużlem wielkopiecowym, zgorzel słoneczna z bazaltem (jej badanie nie jest objęte normą [1]) czy siarczany rozpuszczalne w wodzie z kruszywem recyklingowym.
Występowanie zjawisk i związków tu wymienionych zagraża trwałości betonu. W przypadku siarki, rozpadów żużla i związków organicznych zagrożenie dotyczy zaczynu cementowego, natomiast obecność chlorków niesie ze sobą ryzyko korozji stali. Całkowite zniszczenie elementu betonowego, które jest efektem reakcji korozyjnych, powoduje, że wymóg badania tych właściwości chemicznych znajduje się praktycznie w każdej specyfikacji dotyczącej betonu konstrukcyjnego.
Skład petrograficzny
Mimo że obecnie istnieje tendencja, aby nie brać pod uwagę składu petrograficznego kruszywa, kierując się jedynie jego jakością, to znajomość petrografii umożliwia przewidzenie niektórych cech kruszywa i co za tym idzie jego trwałości w pewnych środowiskach: wapienie są skałą, którą się zwykle bardzo dobrze poleruje, jest nieodporna w środowiskach kwaśnych i której jakość jest ściśle związana z czystością chemiczną; piaskowce mają bardzo wysoką odporność na polerowanie; skały magmowe i metamorficzne bywają zazwyczaj mrozoodporne. Ze względu jednak na fakt, że każda skała jest specyficzna pod względem składu i historii, nie można zapominać o ich badaniach. Normy obecnie nie podają także wymagań dotyczących składników szkodliwych w betonie, takich jak margle, piryt (siarczek żelaza), minerały ilaste, zanieczyszczenia obce, grudki gliny. Ich obecność oprócz badań petrograficznych można jednak stwierdzić badaniami fizykomechanicznymi: obecność margli, grudek gliny, minerałów ilastych często jest widoczna w badaniach mrozoodporności, pyłów czy nasiąkliwości, pirytu w badaniach siarki. Przy wysokich wymaganiach dotyczących powierzchni kryteria te są jednak niewystarczające. Wówczas należy postawić odrębne wymagania dotyczące ich obecności w kruszywie, tak jak dla związków wpływających negatywnie na wykończenie powierzchni (załącznik G4 do normy [1]).
Podsumowanie
Aby uzyskać beton trwały o wysokiej jakości, kruszywa należy dobierać, biorąc pod uwagę przede wszystkim obecność składników szkodliwych, takich jak: siarka, humus, kruszywa reaktywne, margle, chlorki,
a następnie ich właściwości fizykomechaniczne, stosownie do klasy agresywności środowiska: odporność na ścieranie, rozdrabnianie, mrozoodporność, polerowalność. Gdy kruszywo o odpowiedniej trwałości zostanie wybrane, zadaniem technologa betonu jest ustalenie najbardziej optymalnego stosu okruchowego. Ten ostatni etap decyduje wprawdzie w wielu przypadkach o jakości betonu i mieszanki betonowej, jednak zlekceważenie wcześniejszych może uniemożliwić wykonanie trwałego betonu.
dr Joanna Babińska
Instytut Techniki Budowlanej
Źródła
1. PN-EN 12620+A1:2010 Kruszywa do betonu.
2. PN-B 06250:1988 Beton zwykły.