XVII OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA WARSZTAT PRACY PROJEKTANTA KONSTRUKCJIUstroń, 20 ÷ 23 lutego 2002 r.

Jerzy Piasta*

Wojciech Piasta**

RODZAJE I ZNACZENIE KRUSZYWA W BETONIE

1. Wprowadzenie

Beton jest kompozytem powstającym z cementu, wody, kruszywa, dodatkówmineralnych i domieszek chemicznych. Zadaniem cementu i wody czyli zaczynucementowego poprzez ich wzajemną reakcję chemiczną jest połączenie ziarn kruszywa ażdo utworzenia ciała stałego.

W celu lepszego zrozumienia wpływu kruszywa przytaczamy kilka przykładówwłaściwości skały, kruszywa i betonu porównywalnych także bezpośrednio ze sobą.Rozważamy ponadto warstwę kontaktową kruszywa i zaczynu cementowego w betonie, naktórą jak się okazuje duży wpływ ma rodzaj kruszywa, a także samej skały. Znaczeniesamej warstwy kontaktowej na właściwości betonu jest bardzo ważne, ponieważ często wten sposób można wyjaśnić nieprzewidywalny wpływ kruszywa na beton. Autorzy referatudążą do opisania roli i znaczenia kruszywa w mieszance betonowej i w stwardniałymkompozycie. Należy bowiem zaznaczyć, że właściwości samego kruszywa lub zaczynucementowego nie są do końca odzwierciedlone w betonie. Wynika stąd wniosek, żeostateczną ocenę przydatności kruszywa można dopiero osiągnąć na podstawie łącznychbadań składnika i kompozytu.

2. Charakterystyka i właściwości skał przeznaczonych na kruszywa dobetonów.

2.1. Ogólne omówienie.

We wszystkich krajach świata do betonów są powszechnie stosowane kruszywamineralne o zróżnicowanych wielkościach i kształtach ziarn rys 1:– łamane ze skał litych (zwartych),

* Prof.dr hab. inż.; Katedra Technologii Betonu i Prefabrykacji; Politechnika Świętokrzyska - Kielce** Dr. inż.; Katedra Technologii Betonu i Prefabrykacji; Politechnika Świętokrzyska - Kielce

– żwirowo-piaskowe jako kruszywo naturalne ze skał luźnych stanowiących mieszaninęokruchów z różnych minerałów (skał).

a) piasek 0,063-2,0mm b) żwir 8-16

c) bazalt 4-8mm d) granit 8-32mm

Rys. 1. Kształty ziarn kruszyw otoczakowych a),b); łamanych c), d).

Z tych to względów właściwości kruszywa są ściśle uzależnione od cech fizyko-chemicznych i minerałów wchodzących w skład struktury skały. Właściwości surowcówskalnych są zróżnicowane w zależności od ich okresu i sposobu powstawania. Ogólniemożna przyjąć, że kruszywa mineralne pochodzą ze skał trzech grup geologicznych (tablica1) jak:– magmowe: głębinowe i wylewne,– osadowe,– metamorficzne (przeobrażone).

Tablica 1 Klasyfikacja genetyczno-petrograficzna surowców skalnych [1]

Pochodzenie skały Powstawanie Rodzaj

1 2 3

Skały głębinowe

– granity,– leukogranity (surowce

skaleniowe),– granodioryty,– sjenity,– gabra,– noryty, anortozyty.

Skały magmowe

Skały wylewne

– porfiry,– keratofiry,– trachity,– fonolity,– andezyty,– melafiry,– diabazy,– bazalty.

Skały węglanowe(wybrane)

– wapienie,– dolomity.

Skały krzemionkowe(wybrane) – chalcedonity

Skały osadowe

Skały okruchowe(wybrane)

– tufy porfirowe,– szarogłazy,– piaskowce zwykłe,– piaskowce kwarcytowe

(kwarcyty),– piaski,– kruszywa naturalne,– głazy narzutowe.

Skały metamorficzne(wybrane)

– gnejsy,– łupki krystaliczne,– kwarcyty (właściwe),– wapienie krystaliczne (marmury właściwe).

Skały hydrotermalno-metasomatyczne(ograniczone do

kruszywa)

– kalcyty,– magnezyty,

– kwarc żyłowy.

Ważnym elementem ekonomicznym wpływającym na przydatność, cenę kruszyw wodniesieniu do budowanego obiektu (zakładu prefabrykacji elementów betonowych) jest ichlokalizacja (rys.2 i 3) oraz wielkość zasobów w jednym górotworze i gospodarcze prawocelowości przeznaczenia tych surowców skalnych na kruszywo do betonów.

Rys. 2. Strefowe zasoby surowców skalnych.

Zasoby surowców skalnych w Polsce posiadają tylko niektóre zbadane właściwości orazokreślone wielkości zasobów i przeznaczenie. Wymagania stawiane przez normy kruszyw[3] i betonów [13] nakazują przeprowadzenie szczegółowych badań pod kątem ichprzydatności dla budownictwa i drogownictwa. Wynika taka potrzeba z tego, że prawiekażdy rodzaj skały posiada niektóre właściwości powodujące obniżanie trwałości kruszywbetonu [14], [1].

Z badań autorów wynika, że w Polsce w pojedynczych przypadkach kruszywo mineralnemoże powodować z alkaliami cementu destrukcje betonu [15],[16]. Występująca w naturzeskał znacząca niejednorodność niektórych właściwości obniża w czasie trwałość betonów zkruszywami z takich skał. Ponadto wiele skał (kruszyw) jest wrażliwych (podatnych) naśrodowisko chemiczne [15] czemu należy zapobiegać przez dobór skał o odpornychwłaściwościach (p. pkt 5-1).

Legenda:Gr – Granit Mf – Melafiry Dl – DolomityS – Sjenit Pf – Porfiry G – GnejsyGb – Gabra T – Tufy K – KwarcytyA – Andezyty Ps – Piaskowce Mm – MarmuryBz – Bazalty Ch – Chalcedonity Wt – Wapień trawetynDb – Diabazy W – Wapienie Br – Baryty

2.2. Występowanie i właściwości skał zwięzłych przeznaczonych na kruszywodo betonów.

2.2.1. Występowanie skał zwięzłych.

Zwięzłe surowce skalne przydatne do produkcji kruszywa łamanego są główniezlokalizowane (rys. 2) w strefach: południowej, środkowej i północnej.Przede wszystkim zalegają one tereny województw: śląskiego, opolskiego, dolnośląskiego,świętokrzyskiego małopolskiego. W pozostałej części Polski występują zwięzłe surowceskalne, ale właściwości ich nie spełniają wymogów normowych [3]. Niektóre z nichstanowią małe zasoby bądź występują w Parkach Narodowych i z przytoczonych powodównie mogą być eksploatowane.

2.2.2. Właściwości skał zwięzłych

Znajomość właściwości fizycznych skał jest konieczna zarówno przy geologicznymdokumentowaniu zasobów złóż jak i przeznaczeniu surowców na kruszywo łamane dobetonów (tabl. 2). Do najważniejszych należą: gęstość, gęstość pozorna, łupliwość(zwięzłość), porowatość, nasiąkliwość, przepuszczalność, wytrzymałość na ściskanie,mrozoodporność, stopień reaktywności z alkaliami cementu, ścieralność, przyczepnośćlepiszcza bitumicznego.

Szczegółowe wyniki właściwości skał w ujęciu tekstowym i kartograficznym są wmonograficznych opracowaniach dla poszczególnych regionów jak: [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].Na właściwości fizyczne skał (ziarn kruszyw) mają także prawie decydujące znaczeniewłaściwości samych minerałów, które wchodzą w skład określonej skały. Stąd dladokładnego poznania właściwości ziarn kruszywa a tym samym betonów z tych kruszywcelowe jest dobre poznanie minerałów i właściwości fizykochemicznych skał. Ponadto nawłaściwości samych ziarn kruszywa wpływa tekstura i struktura skał oraz ich sposóbpowstawania, przeobrażenia, wietrzenia, ruchów górotwórczych ich spękanie.

Tablica 2. Właściwości wybranych skał magmowych [2].

Skład chemiczny, %

Rodzaj skał i miejscewystępowania

Stra

ta p

raże

nia,

%

SiO

2

Al 2O

3

CaO

MgO

SO3

Gęs

tość

kg/

dm3

Poro

wat

ość,

%

Nas

iąkl

iwość,

%

Ście

raln

ość

nata

rczy

Boeh

meg

o, c

m

Wyt

rzym

ałość

naśc

iska

nie,

MPa

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12GRANITY

Grabina k. Świdnicy..........Graniczna k. Strzegomia....Strzegom............................Strzelin...............................

Michałowice k. JeleniejGóry...................................Szklarska Poręba................Suwałki (głazy narzutowe)

0,40,10,2

0,10,4

73,373,473,0

73,04

73,274,7

16,017,418,213,70

20,120,4

3,33,01,7

2,65

4,71,3

0,51,00,4

0,08

0,60,6

śladyśladyśladyślady

śladyślady

2,642,652,652,65

2,642,652,65

1,10,81,10,8

1,11,30,4

–2,2

0,40,30,30,3

0,60,30,4

0,160,180,180,06

0,250,170,04

104106140210

115115110

–250SJENITY

Kośmin k. Piławy..............Przedborowa k. ZąbkowicŚląskich..............................

0,5

0,8

60,1

60,0

17,0

16,6

5,9

6,4

4,4

4,4

1,4

brak

2,69

2,79

0,7

1,1

0,3

0,4

0,18

0,30

131

117GABRA

Nowa Ruda (woj.Dolnośląskie).....................Suwałki (głazy narzutowe)

51,04 16,20 17,0 7,41 2,93,05

0,71,6

0,10,1

0,260,06

155150

ANDEZYTYMalinowa k. Szczawnicy...Kluszkowce k. Czorsztyna.

2,2 60,060,0

18,1 8,0 1,7 brak 2,712,79

3,84,9

1,11,34

0,250,36

11299

c.d. tablicy 21 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

BAZALTYWinna Góra k. Jaworowa...Kozia Góra.........................Orłowice (Lądek Zdrój).....Wilcza Góra (Złotoryja).....Bukowa Góra.....................Gracze................................Księginki............................Krzeniów-Diablak..............

1,81,50,3-

2,233,28

-

47,7440,342,543,4

-42,1142,53

-

13,0916,017,915,2

-13,0411,53

-

9,7414,311,915,5

-14,412,4

-

8,0511,07,411,6

-9,6912,8

-

śladyśladyślady

----

3,023,123,063,033,143,113,083,06

1,35,21,32,91,7

0,971,63

0,80,21,2

0,160,480,490,970,11

0,130,160,180,210,060,210,290,17

163237190318116142,3149200

DIABAZYNiedźwiedzia Góra............Świerczań...........................

53,3 14,3 5,67 3,52 2,87 0,5 0,30,1

0,50,18

230209

MELAFIRYGłuszyca Górna (woj.

Dolnośląkie).......................Rudno.................................Tłumaczów.........................

2,702,752,72

1,51,72,9

0,61,30,6

0,43–

0,11

13519495

PORFIRY

Miękinia.............................

Sanka (woj. Małopolskie)..

67,9do

71,28

13,92do18,03

0,40do

3,11

0,21do

0,942,67

2,64

2,6

3,4

0,5

0,8

0,23

0,4

210

195TUFY

Filipowice k. Krzeszowic..56,22

do59,5

13,08do17,28

0,30do8,0

Ślad1,57

2,63 23,1 8,3 0,5 27,5

Nie sposób nie wspomnieć o tym, że obecnie sama metodyka badań właściwościfizycznych minerałów i skał jest nowocześniejsza i dokładniejsza co łatwiej pozwala naszybsze uzyskanie wiedzy o danej skale i jej minerałach z opracowanej literatury zodniesieniem nawet do właściwości skały w danym złożu np.: z katalogów surowcówskalnych z odniesieniem do regionu lub województwa [od 4 do 11]. Na przykład w„katalogu właściwości fizycznych minerałów” [1] można znaleźć rozszerzalność cieplną iwiele innych cech, które powinny być wykorzystywane przy ocenie właściwości kruszyw ibetonów narażonych na niskie lub wysokie temperatury.

Według Jaworskiego [11] podstawowymi właściwościami minerałów skałotwórczychsą: gęstość, gęstość pozorna, twardość względna (Mohsa) i bezwzględna np. Brinella VHB,łupliwość, ciepło właściwe, przewodność cieplna, właściwości magnetyczne, opórelektryczny.

Omówienie skał głębinowych.

Granity składają się ze skalenia w postaci ortoklazu (K20∗ Al2O3∗ 6SiO2) i plagioklazu:albitu (Na2O∗ Al2O3∗ 6SiO2) i anortytu (CaO∗ Al2O3∗ 6SiO2), z kwarcu SiO2 oraz złyszczyka, niekiedy z horblendy lub augitu. Składniki zrośnięte są ze sobą powierzchniamikrystalicznymi i tworzą ziarnistą, krystaliczną masę. Wietrzenie granitu w wilgotnym iciepłym klimacie powoduje przeobrażanie się w kaolin jako skały skaleniowo-kwarcowestosowane do produkcji porcelany. Porowatość granitu jest zróżnicowana od 1,5 do 3%,nasiąkliwości waha się 0,20 do 0,50%. Wytrzymałość na ściskanie od 100 do 220MPa.Gabro. Podstawowym składnikiem skały są plagidekaz, piroksen, hornblenda, oliwin.Porowatość gabra wynosi 0,7 do 2,4%, nasiąkliwość 0,11 do 0,29%, wytrzymałość naściskanie 83 do 120MPa (tablica 2).

Charakterystyka skał wylewnych

Porfiry są kwaśnymi skałami wylewnymi. Rozróżnia się odmiany petrograficzne:ryodacyty, dellenity, ryolity. Skład mineraologiczny porfirów w pełni odpowiada granitowidrobnoziarnistemu. Ich właściwości są znacząco zróżnicowane (tablica 2), porowatość 0,05do 12,41%, wytrzymałość na ściskanie 89 do 209MPa. Ponadto w eksploatowanych złożachstwierdzono rozkład porfiru w wyniku procesów wtórnych.Trachity powstały w wyniku procesów przeobrażenia porfirów. W Siedlecu kołoKrzeszowic znajduje się jedyne złoże trachitu w postaci pionowej dojki o szerokości 6-8m iszerokości 45m, która przecina osady dewonu-wapienie. Zasoby są małe, nieopłacalne.Skały trachity, nie mają w perspektywie zastosowania do produkcji kruszywa łamanego.Andezyty nadają się do wyrobów kwasoodpornych z zapraw i betonów. Porowatość sięgaod 4,1% do 7,07%, nasiąkliwość do 2%, a wytrzymałość od 75MPa do 131MPa.Melafiry. Ich składnikami są: plagioklaz, augit, oliwin, szkliwo. Wyselekcjonowaneodmiany melafirów mogą być przeznaczone na kruszywo łamane do betonów. Porowatośćskały sięga od 1,1% do 5,7%, a nasiąkliwość jest niska od 0,24% do 1,41%. Wytrzymałośćna ściskanie waha się od 122,5 do 255MPa.Diabazy. Ich składnikami są plagioklaz i augit. Nasiąkliwość skały wynosi od 0,30 do4,60%, a wytrzymałość od 114 do 290MPa. Zastosowanie diabazów jest głównie wdrogownictwie na podbudowę dróg oraz na kruszywo łamane do betonów.Bazalty. Są one zbitą masą złożoną z plagioklazu, augitu, magnetytu i szkliwa. Skałybazaltowe występują w wielu odmianach w tym głównie oliwinowe – 39%, nefelinity

oliwinowe około 36%, bazanity nefelinowe – 19% oraz limburgity i augity – 6%.Najpowszechniejszymi są bazalty właściwe tak zwane plagioklazowe. Porowatość bazaltówjest zróżnicowana i wynosi od 1,1 do 2%, a nasiąkliwość skały waha się od 0,11 do 0,97%oraz wytrzymałość od 116 do 228MPa (tablica 2). W złożach młodych bazaltówczwartorzędowych występują zwietrzeliny kaolinowe i haloizytowe. W znaczącejwiększości bazallty są trwałe, jednak niektóre z nich podlegają zgorzeli słonecznejujawniającej się w postaci białych plam i mikrorys, które w krótkim czasie rozszerzają się ipowodują pękanie skał. Przed podjęciem decyzji stosowania ich do produkcji kruszyw dobetonów powinny być szczegółowo zbadane w celu określenia ich przydatności.

Skały osadowe

Skały osadowe powstały ze scementowania poprzednio rozkruszonych skał pierwotnychoraz przez osadzenie się materiałów wytwarzanych przez organizmy żywe (osadybiochemiczne, np. wapienie) i jako osady chemiczne przez wykrystalizowanie z roztworówwodnych w procesach hydrotermalnych (np. tufy wapienne-kalcyt, gipsy, anhydryty).Głównymi czynnikami decydującymi o właściwościach skał osadowych jest ich składmineralny, rodzaj lepiszcza oraz takie cechy, jak zwięzłość, porowatość, nasiąkliwość,wytrzymałość i mrozoodporność (tablica 3).Piaskowce. Głównym składnikiem piaskowców jest kwarc charakteryzujący się dużąodpornością chemiczną, zwłaszcza na działanie kwasów, oraz odpornością mechaniczną naścieranie. Właściwości .piaskowców są również uzależniane od właściwości lepiszcza.

Do produkcji kruszywa łamanego dla budownictwa i drogownictwa stosowane sąpiaskowce o lepiszczach krzemionkowym wapiennym i mieszanym (krzemionkowo-wapiennym).

Przy stosowaniu piaskowców do produkcji kruszywa łamanego do betonów, zwłaszcza olepiszczu krzemionkowym i mieszanym (krzemionkowo-ilasto-węglanowe), należyprzeprowadzać szczegółowe badania specjalistyczne, gdyż zachodzi obawa, że mogą oneszkodliwie działać na beton, ze względu na występującą w nich aktywną krzemionkę, iłpęczniejącyChalcedonit należy do skał krzemionkowych. Cha1cedonit ma skrytokrystaliczną strukturę,pierwotnie zbudowany z opalu, który najczęściej przekrystalizowuje w chalcedon. Jegogłównym składnikiem jest krzemionka, występująca w postaci chalcedonu i kwarcuwłóknistego. Odznacza się on dużą odpornością ogniową. Ze względu na sposóbpowstawania przez zsylifikowanie tylko niektórych warstw utworów wapienno-marglistychzłoża chalcedonitu charakteryzują się dużą niejednorodnością i zawierają przerosty piasków,iłów i margli (tablica 3 i 4).

Chalcedonit występuje w okolicach Inowłodza-złoże w Teofilowie jest eksploatowane nakruszywa do betonów, gdyż, jak wykazały badania , Politechniki Łódzkiej, PolitechnikiWarszawskiej i Politechniki Świętokrzyskiej może być użyty do betonów przyrygorystycznym zachowaniu określonych kryteriów normowych dla kruszyw i betonuzwykłego. Kolejne złoża chalcedonitu są udokumentowane geologicznie: Lubocz, Gapinin,Dęborzyczka.

Tablica 3 Właściwości skał osadowych

Skład chemiczny, %

Rodzaj skał i miejscewystępowania

Stra

ta p

raże

nia,

%

SiO

2

Al 2O

3

CaO

MgO

SO3

Gęs

tość

kg/

dm3

Poro

wat

ość,

%

Nas

iąkl

iwość,

%

Ście

raln

ość

na ta

rczy

Boeh

meg

o, c

m

Wyt

rzym

ałość

naśc

iska

nie,

MPa

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12PIASKOWCE

Barcice n. Popradem.......Muszyna..........................Osielec k. Suchej.............Solina..............................Stempinia k. Jasła...........Bóbrka k. Leska..............Szczytna k. Kłodzka.......

7,14,9

11,70,6

72,174,3

58,693,5

8,113,7

9,83,9

7,24,9

10,30,5

1,91,9

3,60,6

brak0,5

2,6brak

2,692,692,702,692,702,712,63

3,44,81,52,20,46,013,3

1,51,80,30,80,21,55,0

0,700,440,280,43

-0,510,38

78581931661686355

CHALCEDONITTeofilów k. Inowłodza.... 0,9 98,7 0,2 0,1 0 2,66 14,3 3,3 0,1 120

c.d. tablicy 31 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

WAPIENIE ZBITEMorawica k. Kielc...........Jaźwica k. Kielc..............Karwów k. Opatowa.......Dębska Wola k. Kielc.....Górno k. Kielc.................Kowala k. Kielc..............Jaworznia k. Kielc...........Bielawy k. Bydgoszczy...Ostrówka k. Kielc............Borsuki k. Lublina...........

Czatkowice k. Krzeszowic Goraźdże........................... Strzelce Opolskie............. Kamień Śląski Izbicko”.. Tarnów Opolski...............

Góra Połom....................... Góra Silesia.......................

42,243,343,642,2

41,843,518-5543,342,1

42,3

1,00,8

4,41,2

7-230,2

21,80,35,5

0,6-120,5

0,5-6,27,07,0

0,60,50,3

1,30,50,30,1

1,71,61

0,5-5,50,1-1,00,4-2,6

--

53,354,453,152,7

51,453,9

41-5254,932,8

50,744-5555,1

42-5446,055,0

0,70,51,71,0

2,10,51,50,32,1

0,70,2-6,2

0,30,5-8,7

6,00,3-5,9

0,2ślady1,1

brak

0,1-

0,5-1,2-

ślady

śladyśladyśladyślady42,744,5

2,692,722,752,682,70

2,742,692,702,672,692,692,732,712,702,722,73

4,11,82,13,31,46

1,53,50,47,00,6

9,0515,746,279,310,56

1,40,890,3

0,120,71

0,213,7

0,105,900,282,413,070,721,020,20

0,40590,810,600,390,6

0,430,70,6

0,280,450,972,200,910,790,42

909798781057583451402611438364138120

WAPIEŃ (trawertyn)Raciszyn k. Działoszyna....

142,9

21,53

0,74

54,35

0,46

0,57

2,708

3,79

0,6510

0,3911

5812

WAPIENIE LEKKIEPOROWATETrawniki k. Lublina.............Karsy k. Kielc......................

Pińczów k. Kielc.................Józefów k. Biłgoraja...........

31,227,343,343,1

23,134,73,82,0

1,00,90,9

40,134,652,553,1

0,20,40,80,6

ślady0,4ślady9,4

2,592,502,682,65

41,342,035,545,7

24,126,016,317,7

1,01,432,122,37

1615103

c.d. tablicy 31 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

DOLOMITYKorzecko k. Kielc................Laskowa k. Kielc.................Zagnańsk k Kielc.................Radkowice k. Kielc.............Nielepice k. Krakowa..........Chełmce k. Kielc.................Piekary Śląskie....................Rędziny k. Wrocławia.........Libiąż k. Chrzanowa...........Tenczynek k. Krzeszowic...Podleśna k. Zawiercia.........

45,446,0

42,745,4

45,6

46,0

2,22,15,7

1,83,3

2,50,4-1,9

1,7

-0,7

1,4

0,1-2,9

1,3

32,032,6

54,030,0

3229-3331,432,6

16,819,118,7

0,519,0

19,814 –2219,418,5

brakbrak

nie okr

nie okr

0,60,1

2,72,832,852,862,692,822,832,862,832,812,86

2,91,6

3,35,20,417,30,354,9

2,133,49

0,70,30,30,81,120,35,90,21,90,3

0,49

0,630,47

0,350,440,361,41,0

0,280,330,55

69120215135102200701536412690

Skały węglanowe (wapienie i dolomity).Spośród skał węglanowych do produkcji kruszyw łamanych przeznaczonych do betonów

konstrukcyjnych stosowane są zbite wapienie i dolomity. Dla ujednolicenia nazewnictwaskał węglanowych został wprowadzany schemat klasyfikacyjny (wg S. G. Wiszniakowa iuproszczony) [1]

Tablica 4 Schemat klasyfikacyjny skał węglanowych [12]Zawartość w % (wagowo)Nazwa skały CaCO3 MgO CaMg(CO3)2

Wapień 100 - 95 0 – 1,5 0 – 5 0 – 10Wapień dolomityczny 95 – 75 1,5 – 5,5 5 – 25 10 – 50Wapień dolomitowy 75 – 50 5,5 – 11 25 – 50 –Dolomit wapienny 50 – 25 11 – 16,5 50 – 75 –Dolomit wapnisty 25 – 5 16,5 – 20,5 75 – 95 50 – 90Dolomit 5 - 0 20,5 – 21,8 95 - 100 90 – 100

Upr

oszc

zona

klas

yfik

acja

Skały wapienne składają się głównie z węglanu wapnia (CaCO3). W budownictwie sąstosowane do produkcji kruszyw, cementu, wapna, elementów budowlanych. Do produkcjicementu stosuje się skały wapienne o zawartości substancji ilastych w granicach 18-42%. Sąto tzw. margle.

Skały zawierające substancje ilaste powyżej 5% nie nadają się do produkcji kruszywłamanych do betonów.

Odmiany wapieni o dużych walorach dekoracyjnych są stosowane na wewnętrzneelementy wykończeniowe (zastępują prawdziwe marmury). Wapienie zbite wiekujurajskiego są często przesycone krzemionką i noszą nazwę wapieni skalistych. Złożawapieni zbitych wykazują różny kąt upadu -warstw od 10 do 85°.

W skład skał węglanowych stosowanych do produkcji kruszywa wchodzą dolomity.Składają się one z minerału dolomitu CaMg(C03)2 i pod względem właściwości fizycznych iwytrzymałościowych są podobne do wapieni zbitych (tablica 3). Różnią się od nich tym, żeulegają rozkładowi z wydzieleniem CO2 jedynie pod działaniem gorącego kwasu solnego.Są jednak twardsze od wapieni i mają wyższą gęstość.

Wapienie i dolomity w wielu krajach są w szerokim zakresie stosowane do produkcjikruszywa do betonów. Jednakże z uwagi na ich charakter i możliwość występowaniapewnych reakcji w betonie, mogących powodować jego zniszczenie, należy skałę w złożu ikruszywo w betonie badać pod kątem ich oceny wrażliwości ma alkalia cementu [18, 19,20]. Badania nad przydatnością skał węglanowych, wapiennych i dolomitów byłyprowadzane od 1966 roku [14] w Politechnice Warszawskiej oraz PolitechniceŚwiętokrzyskiej [15,18, 19, 20, od 33 do 43], w której są nadal kontynuowane w szerokimzakresie [21, 22].

Skały luźne

Kruszywo naturalne. Występuje ono jako luźna mieszanina materiału okruchowego.Uziarnienie ziarn wynosi od frakcji pylastej od 0 do 0,063 mm przez piaski od 0,063 do2mm z nadziarnem do 5 mm oraz przez żwiry od 2 mm do 63 mm do otoczaków ouziarnieniu od 80 mm do 350 mm, które są najczęściej skruszone mechanicznie do frakcjipowszechnie stosowanej do betonu poniżej 63 mm lub poniżej 31,5 mm jako łamane nakruszywo z nadziarna w żwirach.

Rys. 3. Występowanie naturalnego kruszywa żwirowego i żwirowo-piaszczystego w Polsce.

Lokalizacją tych kruszyw wg Siliwończuka Z. [1] przedstawiono na rysunku 3 Xi. Zewzględu na genezę wyróżniamy złoża: lodowcowe, wodnolodowcowe, rzeczne i morskie (na dnie Bałtyku). W dolinach rzek górskich w Karpatach i Sudetach znajduje się około 60 %ogólnych rozpoznanych zasobów kruszywa naturalnego [1] sięgających do miąższości około25 do 100 m o niskim punkcie piaskowym od 30 do 40 %. Na północnym obszarze Polskiod szczecińskiego poprzez pomorsko-wielkopolski, mazurski, suwalski, białostocko-Sokółkido Kurpiowskiego.

Na tym obszarze są głównie skały magmowe metamorficzne i osadowe jak wapieniezbite, miękkie, piaskowce, kwarcyty z wyjątkiem obszaru Suwałk, gdzie występująwapienie oraz w obszarze południowego Niżu Polskiego (rejon lubelski, kielecki,częstochowski nie ma dobrej jakości żwirów. Najlepsze właściwości ma kruszywo naturalnew rejonie śląskim, raciborskim, ostrzeszoskim, wrocławskim, bobrzańskim, tarnowskim i wdolinie Sanu.

Kruszywa naturalne mogą zawierać ziarna destrukcyjne i reagują z alkaliami cementu, aw szczególności gdy zawierają w piaskowcach lepiszcze dolomitowo-ilaste, w skład ziarnkruszyw otoczakowych także wchodzą wapienie margliste, wapienie zsylikowane, opoki,czerty, krzemienie, rogowce, gezy. Z tych to względów należy oceniać te kruszywa na ichdestrukcję z alkaliami cementu.

W obszarze północnym występuje największa ilość drobnoziarnistych kruszyw – piaskuśr. 59% frakcji żwirowej 5-20mm sięga 32%. W obszarze wschodnim zalegają kruszywanaturalne o p.p. 66%, a frakcji żwirowych do 22mm wynosi 35%. W obszarze zachodnimp.p. sięga do 64%, a frakcji 5-20mm wynosi 35%. Na obszarze karpackim p.p. wynosi 39%,a żwir do 80mm sięga 61%. W obszarze sudeckim p.p. sięga 43%, a żwirowe frakcje do 80mm wynoszą 45%.

Właściwości kruszyw naturalnych można bardzo ogólnie przyjąć:– wytrzymałość na miażdzenie (% rozkruszenia) 24%,– zawartość ziarn słabych do 15%,– nasiąkliwość do 5%,– mrozoodporność (ubytek masy) do 10%,– zawartość pyłów mineralnych do 4-10%– zawartość zanieczyszczeń ilasto-gliniastych do 5%

W skład kruszyw otoczakowych wchodzą wszystkie rodzaje skał magmowe, osadowe(porowate lekkie i zwarte) oraz metamorficzne.Głazy narzutowe o średnicy 350 do 1000mm sa związane z osadami lodowcowymi.Zlokalizowane są na północy o miąższości 5-10mm. Kruszywo łamane do betonów zgłazów jest dobrej jakości o klasie 50.Na dnie Bałtyku (część Ławicy Słupskiej – eksploatowane), Orlej, Południowej, Środkowej,Osetnickiej w zatoce Gdańskiej na wysokości Orłowa.Eksploatowane złoże ma miąższość 1,5m na głebokości 14m. Kruszywo ma klasę 50 czylinie ma ziarn porowatych, płaskich i zwietrzałych i słabych [44]. Kształt ziarn jest zbliżonydo kuli.

Skały metamorficzne

Gnejsy. Są one przeobrażoną postacią granitu z przewarstwieniem łyszczykiem. Mająbudowę krystaliczną, teksturę łupkowatą lub oczkową. Porowatość skały od 1,1 do 2,9 %,nasiąkliwość od 0,18 do 0,3%. Wytrzymałość na ściskanie skały 100-110 MPa,małoodporne na mrozoodporność. Nie wszystkie rodzaje gnejsów nadają się na kruszywodo betonów (tabl. 5).Kwarcyty powstające z przeobrażenia piaskowców o lepiszczu krzemionkowym mająstrukturę bardzo drobnoziarnistą. Właściwości skał przedstawiono w tablicy 4. Są bardzoodporne na ścieranie i działanie kwasów. Kruszywa kwarcytowe mają niekubiczny kształtziarn co wpływa na zmniejszenie urabialności mieszanki betonowej, a tym samym natrudniejsze jej zagęszczanie. Gorsza jest przyczepności ziarn do zaczynu cementowego cowpływa na obniżenie cech wytrzymałościowych betonów. ponadto przypomina się, że skałypiaskowców kwarcytowych i kwarcytów (kruszywa) mają zróżnicowaną rozszerzalność

cieplną zarówno w temperaturze ujemnej jak i dodatniej. Jest to prawdopodobnie związane zokresem występowania piaskowców kwarcytowych w kambrze, dewonie i trzeciorzędzie.Skały te nazywane są w rozważaniach surowcowych „kwarcytami” i te kambryjskiezalegają Góry Świętokrzyskie. Różnią się one wiekiem i charakterem petrograficznym [1].Z tych to względów uważamy, że należy dodatkowo badać je na rozszerzalność cieplną, np.w eksploatowanym złożu Wiśniówki Małej i Dużej k. Kielc [16]. Dla ułatwieniaczytelników zestawiono w tablicy 4 właściwości skał nadających się na kruszywo dobetonów.

Właściwości kwarcytów są zróżnicowane, porowatość waha się od 1,7 do 7,9%,nasiąkliwość od 0,3-2,8%, wytrzymałość od 160 do 212 MPa.

Właściwości skał metamorficznych przedstawia tablica 5. (patrz niżej)

Skład chemiczny, %

Rodzaj skał i miejscewystępowania

Stra

ta p

raże

nia,

%

SiO

2

Al 2O

3

CaO

MgO

SO3

Gęs

tość

kg/

dm3

Poro

wat

ość,

%

Nas

iąkl

iwość,

%

Ście

raln

ość

na ta

rczy

Boeh

meg

o, c

m

Wyt

rzym

ałość

naśc

iska

nie,

MPa

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12GNEJSY

Kowary k. Jeleniej Góry.Pomianów Górny............Stojków...........................

- 74,9 13,5 0,78 0,252,732,66

2,91,1

0,180,30,3

0,220,100,06

110100100

KWARCYTYWiśniówka k. Kielc........Zagnańsk........................Góra Truskolaska...........Lipnik.............................Daleszyce........................Góra Wojtkowa..............

0,5

0,4

96,3

98,0 1,0 - -

nie okr

-

2,682,682,692,692,672,63

1,74,03,27,95,4-

0,30,600,62,81,10,6

0,130,180,130,650,120,17

21220020593165175

MARMURYMarianna Biała...............Sławnicowice..................Kletno.............................Dębnik............................

42,241,844,743,5

2,42,02,61,4

1,50,10,60,4

53,454,239,657,8

0,50,512,60,9

brakbrakbrakbrak

2,732,732,832,69

0,50,20,80,4

0,10,10,20,6

0,640,350,790,65

557515293

SERPENTYNITYGrochów k. Ząbkowic....Szklary k. Ząbkowic.......

- 4143

- - 4237

- 2,952,70

0,953,72

0,311,20

0,40,9

16090

Tablica 5

3. Kruszywo – składnik betonu

Kruszywo jako zbiór ziarn o różnej wielkości zajmuje w betonie największą objętość (65do 80%) w stosunku do całej objętości wszystkich jego składników: kruszywa grubego idrobnego, cementu, wody, domieszek chemicznych i dodatków mineralnych. Warto w tymmiejscu przypomnieć, że kruszywo mineralne jest na całym świecie najbardziejpowszechnie stosowane do betonu.

W USA kruszywa mineralne używane do betonu obejmują ponad 90% w stosunku dostosowanych do betonu wszystkich rodzajów kruszyw. Około 50% kruszywa grubego wbetonie stanowią żwiry, a resztę stanowią kruszywa łamane. W tym zużywa się około 2/3kruszyw łamanych ze skał węglanowych. Pozostałe kruszywa łamane pochodzą ze skałpiaskowców, granitów, diorytów, bazaltów i gabra [24]. Kruszywa lekkie (porowate) sąuzyskiwane z lekkich skał (tablica 2 i 3) oraz z przemysłowych odpadów jak: żużel hutniczygranulowany, żużel wielkopiecowy z elektrowni. Także stosuje się do betonów kruszywolekkie, ale produkowane (wypalane) z iłów i glin pęczniejących, a także nie pęczniejących,łupków przywęglowych, o nazwach keramzyt, glinoporyt, łupkoporyt.

W Polsce stosuje się do betonów ponad 97% kruszyw mineralnych w tym żwirów 2/3 iłamanych 1/3 w tym około 20% ze zbitych skał węglanowych. Odnośnie ich lokalizacji to wstrefie południowej mamy 60% łącznych zasobów o wysokiej jakości, w większościmagmowych skał luźnych i zwięzłych, w strefie środkowej ok. 10%, w tym 1,0 % bardzodrobnych piasków i reszta węglanowe, kwarcyty i piaskowce. W północnej 30% z przewagązłóż kruszyw naturalnych drobnoziarnistych (rys. 2).

Rozróżniamy kruszywo: – drobne w tym piasek kwarcowy (rys. 1a), piasek łamanyPolsce o uziarnieniu od 0,063 do 2mm, w wielu krajach od 0,125 lub od 0,250 do 5mm;

– grube o uziarnieniu od 2mm do 63mm [16] lub od 5mm do 38,1mm [23] w postaciżwiru lub grysu (rys. 1b, c, d).

Natomiast kruszywa uzyskane po obróbce temperaturą np. z gliny, iłów pęczniejącychłupków przywęglowych, popiołów noszą nazwę kruszyw sztucznych. Również kruszywopochodzące z betonu z rozebranego obiektu rozdrobnionego np. z budowli dróg betonu(recycling) też zaliczamy do kruszyw mineralnych. Naturalny otoczakowe piasek kwarcowyjest powszechnie używany do wszystkich rodzajów betonu. Naturalne kruszywo (żwir)składa się z różnych rodzajów skał, a w większości w skład jednej osadowej skały wchodziwiele minerałów najczęściej każdy z nich o odmiennych właściwościach. Stąd kruszywożwirowe zaliczane jest do kruszyw niejednorodnych w stosunku do kruszyw łamanych jakonajczęściej jednorodnych z tytułu, że wszystkie ziarna rozpatrywanego kruszywa łamanegopochodzą z jednego rodzaju skały zalegającej dane złoże, a tym samym właściwościfizyczne, skład chemiczny i mineralogiczny tych ziarn są identyczne albo bardzo zbliżonedo siebie. Również używane jest do betonów ciężkich kruszywo mineralne ze skał ciężkichjak: magnetyty o gęstości pozornej 4,3 do 5,2 t/m3, limonity – 3,6-4,0 t/m3, hematyty 5,2-5,3t/m3 oraz baryty, które opisano w tablicy 6.(patrz niżej)

Tablica 6 Skały ciężkie barytowe na kruszywo do betonu ciężkiegoSkład chemiczny, %

Nazwa miejsca

występowania

skały

BaO

SO3

SiO

2

TiO

2

Al 2O

3

P 2O

5

Fe2O

3

FeO

MgO

CaO

Na 2

O

K2O

S H2O

CO

2

gęstość

pozorna,

kg/dm3

Boguszów 57,76 30,88 4,55 ś 0,06 ś 0,57 0,35 1,95 0,55 0,39 0,14 0,28 0,50 - 3,52-4,46

Stanisławów 48,61 25,28 7,80 0,16 1,54 0,32 6,63 0,22 2,03 1,15 0,60 0,98 0,61 2,06 0,10 3,60-4,20

Jedlinka 45,42 27,47 7,80 ś 0,95 ś 0,58 0,35 3,04 5,80 0,80 ś 0,55 0,33 3,62 3,43-4,60

Kruszywo w betonie nie może być traktowane jako obojętny wypełniacz, ponieważwiele właściwości mieszanki i betonu stwardniałego jest zależnych od właściwościkruszywa i jego ziarn. Podobnie jak cement, kruszywo ma swoje własności jak: składchemiczny, mineralogiczny, porowatość, uziarnienie, udział różnych wielkości ziarn wstosie, wodożądność, nasiąkliwość, kształt ziarn, tekstura powierzchni, współczynniksprężystości, wytrzymałość na miażdżenie, wytrzymałość kostkowa skały litej Rk,nasiąkliwość, mrozoodporność i inne. Rodzaj tych właściwości w rozważaniu ogólnymzależy od właściwości minerałów wchodzących w skład skały, na które w czasie wpłynęłyróżnorodne procesy geologicznego tworzenia danych rodzajów skał. Wiele właściwościkruszywa (ziarn) zależy także od rodzaju maszyn np. kruszarek szczękowych, stożkowych,młotkowych, udarowych używanych do produkcji kruszywa łamanego lub kruszenianadziarna w żwirze.

Każda wymieniona kruszarka produkuje inny kształt i wielkość ziarn oraz odmienną ichostrokrawędzistości, szorstkość, powierzchni.

Pamiętajmy, że najważniejszą właściwością jest trwałość betonu. Stąd kruszywo i jegowłaściwości powinny być traktowane w wyborze i ocenie z dużą wiedzą i troską, ponieważwiele właściwości mieszanki i stwardniałego betonu jest zależnych od właściwościkruszywa i od właściwości jego ziarn.

W roku 1999 oceniono w kraju zasoby kruszyw naturalnych na poziomie 14 mld ton, a ztego zagospodarowano ok. 20%. Stąd wynika, że posiadamy bardzo duże zbadane zasobyzłóż kruszyw naturalnych przy rocznym wydobyciu ponad 90 mln ton surowców doprodukcji kruszyw dla budownictwa i drogownictwa.

3.1. Właściwości kruszyw

Kruszywo do betonu nie może być zanieczyszczone organicznie bo następuje rozkładczęści roślin i powstają kwasy humusowe, które ujemnie wpływają na przebieg wiązaniacementu i trwałość betonu.

Pyły mineralne o ziarnach poniżej 0,063 mm zwiększają wodożądność, oblepiają ziarnakruszywa i przez to utrudniony może być bezpośredni dostęp zaczynu cementowego doczystych powierzchni ziarn kruszywa drobnego i grubego. Stąd normy ograniczająprocentowy nadmierny udział pyłów w kruszywie w zależności od marki (klasy).Odmiennie zachowują się w zaczynie rozproszone pyły ze skał węglanowych powodujączwiększenie szczelności i wytrzymałości betonu.

Kształt ziarn płaskich i wydłużonych ujemnie wpływają na urabialność mieszanki,utrudniając jej zagęszczanie w formach a to z kolei zmniejsza między innymi szczelność,mrozoodporność, wytrzymałość betonu. Poza tym ziarna takie mają większą powierzchnięw stosunku do objętości co powoduje zwiększenie ilości cementu. Także ziarna płaskie, a wszczególności o większych rozmiarach powodują sedymentację zaczynu pod ziarnembezpośrednio po ułożeniu i zagęszczeniu mieszanki zbiera się rozwodniony zaczyn zktórego wyparowuje woda, ziarna cementu pozostawiają pustki powietrzne, a tym samymdodatkowo obniża się wytrzymałość oraz szczelność betonu. Najkorzystniejszy efektuzyskuje się gdy kształt ziarn kruszywa jest zbliżony do kuli lub do sześcianu zezmniejszeniem ostrokrawędzistości w narożach (rys. 1-2) to w mieszance następujezmniejszenie tarcia pomiędzy ziarnami kruszywa i zaczynem, polepsza się urabialność,zwiększają szczelność betonu i rośnie wytrzymałość Przy istniejącej obecnie wysokiejtechnice produkcji kruszywa można łatwo uzyskać ziarna kubiczne przez dodatkowewprowadzenie do linii produkcyjnej np. kruszarki uderzeniowej jako granulatora w celuuzyskania ziarn kubicznych bez ostrych naroży.

Przyczepność zaczynu do kruszywa zależy od szorstkości powierzchni ziarn. Im mamywiększą właściwą powierzchnię (w rozwinięciu) ziarn tym uzyskujemy wyższąwytrzymałość na rozciąganie i ściskanie betonu. Kruszywo łamane prawie zawsze spełniaten warunek w stosunku do kruszywa żwirowego, którego ziarna mają gładką powierzchnie.Jeżeli ziarna mają na swojej powierzchni pory otwarte to uzyskują wyższą mechanicznąprzyczepność zaczynu do kruszywa. Ponadto autorów wyniki badań wykazały możliwośćpowiększenia przyczepności zaczynu do ziarn kruszywa ze skał węglanowych, co wszerszym zakresie przedstawiono w rozdziale przy omawianiu warstwy kontaktowej zaczyn-kruszywo [16].

Wytrzymałość kruszywa zależy od wielu czynników od właściwości minerałów od ichułożenia w skale, od kształtu ziarn. Im bardziej ziarna są zbliżone do kuli tym uzyskuje sięw stosie okruchowym jamistość mniejszą niż w stosie kruszywa łamanego. Także należypamiętać, że inne też właściwości fizyczne kruszywa mają znaczący wpływ nawytrzymałość betonu. Według Neville`a [24] dopuszcza się myślenie, że wytrzymałośćzależy nie tylko od wytrzymałości kruszywa, czy kształtu ziarn ale także zależy od jegonasiąkliwości i przyczepności zaczynu do powierzchni ziarna kruszywa.

Wytrzymałość skały jest ściśle związana ze współczynnikiem sprężystości tej skały. Imwyższy współczynnik sprężystości skały tym uzyskuje się wyższy współczynniksprężystości betonu [23] [por. rys. 4]. Warto przy okazji wyników badań zwrócić uwagę, żestwardniały zaczyn cementowy przed obciążeniem oraz kruszywo (skała) wykazują liniowezależności naprężeń i odkształceń, natomiast dla betonu krzywa σ–ε ma postaćkrzywoliniowy. Następuje to z tytułu pękania zaprawy (łączenie się rys przyczepności).Kruszywa przeznaczane do budowy dróg betonowych powinny być badane na ścieralność,udarność i twardość, mrozoodporność, współczynnik rozszerzalności cieplnej i na innenormowe wymagania.

Rys. 4. Zależność współczynnikasprężystości Es od porowatościskały.1 – bazalt, 2 – kwarcyt, 3 – wapieńzbity, 4 – marmur, 5 – piaskowieczielony, 6 – piaskowiec czerwony,7 – granit

Porowatość kruszywa ściśle odnosi się do porowatości ziarn kruszywa. Niemal wkażdym ziarnie kruszywa są pory otwarte na powierzchni obwodu ziarna i pory zamknięte.Pory o wielkościach 7 do 25 nm uznawane są za najbardziej szkodliwe, a pory mniejsze od4 nm nie wpływają na obniżanie mrozoodporności. Ogólnie można uznać, że porowatośćkruszywa jest mniejsza niż porowatość zaczynu cementowego. Można ogólnie przyjąć, żeporowatość wynosi dla kruszywa 1,5%, a dla stwardniałego zaczynu cementowego 30%.Ponadto – pory w kruszywie mineralnym są zawsze większe niż pory żelowe w zaczynie, -pory otwarte zwiększają mechaniczną przyczepność zaczynu do ziarn kruszywa mimo, żejednocześnie następuje nie duże zwiększenie wodożądności tego kruszywa. Wiadomym jest,że porowatość kruszywa ma znaczący wpływ na nasiąkliwość, przenikalność, a te cechymają wpływ na mrozoodporność kruszywa i betonu.

Normowa nasiąkliwość kruszywa obowiązuje do 4% a mrozoodporność do 90%badanych losowo wybranych ziaren o wielkości powyżej 4mm.Tablica 7 przedstawia normowe PN 86/B-06712 wymagania dla kruszyw łamanych wzależności od marek.

Tablica 7 Wymagania normowe kruszyw łamanych w zależności od marek.Skały magmowe i

metamorficzne Skały osadowe

klasy KlasyLp Właściwości(wybrane)

20 30 50 10 20 30

1 Pyły mineralne(∅ <0,05), [%] 3 1,5 1 3 2 1,5

2 Ziarna nieforemne,[%] 25 20 10 30 25 20

3 Nasiąkliwość [%] 3 1,5 0,8 10 6 3

4 Wytrzymałość namiażdżenie, [MPa] 16 12 8 24 16 12

5 Związki siarki, [%] 0,5 0,1 0,1 1,0 0,5 0,3

6 Mrozoodporność,spadek R [%] 5 3 1 20 10 5

Dobór optymalnego stosu okruchowego w projektowaniu betonuPrzed przystąpieniem do projektowania recepty składu betonu należy odczytać z

dokumentacji obiektu jakie są zaprojektowane w elementach żelbetowych i sprężonychodległości w świetle prętów zbrojenia usytuowanych w poziomie i pionie przekroju orazjakie są zaprojektowane grubości pozostałych prętów. Te powyższe dane zmniejszone po5mm określają dopuszczenie stosowania maksymalnego wymiaru ziarn w kruszywie dobetonu. Dobór uziarnienia kruszywa jest dość dyskusyjny a jednocześnie nie ma gotowychnormowych wskazań. Wiadomym jest, że optymalny stos okruchowy w betonie powinienspełniać wiele zadań. Uziarnienie kruszywa nie powinno zwiększać dodawania wodyzarobowej dla uzyskania dobrej urabialności mieszanki betonowej, łatwiej zagęszczającejsię w formie przy minimalnym nakładzie pracy. Stos okruchowy grubego kruszywarównocześnie powinien spełniać warunek minimalnej sumy jamistości i wodożądności: j + wk = minimum. (rys. 5)

Rys. 5. Dobór dwóch frakcji i wk.

Natomiast punkt piaskowy powinien być wyznaczony przy przepełnieniu zaczynemcementowym jam i jednoczesnym otuleniu ziarn na ich obwodzie [16]. Norma dla betonuzwykłego [13] wskazuje uziarnienie dla trzech grup zbioru frakcji 0-16, 0-32, 0-63mmograniczonych krzywymi górną i dolną. Istnieje wiele innych sugestii dobierania uziarnieniaw środku pola ograniczonego tymi krzywymi (rys. 6a, b, c). Te normowe wskazania nie sąoptymalne, lecz orientacyjne i być może wystarczające dla próbnego zarobu pierwszejoceny. Istotą w doborze optymalnym wszystkich frakcji danego kruszywa jest, abymieszanka betonowa posiadała dobrą urabialność przy niskim w/c przy uziarnieniu piaskumieszczącym się między dwoma dolnymi kolejnymi krzywymi na rys 7 dla betonuzwykłego. Kruszywa do betonów powinny spełniać wymagania normowe przedstawione w tablicy 8.

nzkk

nzkjρρ

ρ 11 •

−=

Gdzie: ρk – gęstość kruszywa

[kg/dm3]; ρnzk – gęstość kruszywa w

stanie zagęszczonym [kg/dm3].

nkznkz V

m=ρ

510

20

35

50

60

80

100

0 28

1825

30

50

100

0

20

40

60

80

100

0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16bok oczka, mm

prze

chod

zi p

rzez

sito

, %

512

20

35

45

55

65

80

100

0 27

1520

25

40

60

100

0

20

40

60

80

100

0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32

bok oczka, mm

prze

chod

zi p

rzez

sitp

, %

5

1320

3540

45

55

67

85

100

04 4,5

1520

2530

40

60

100

0

20

40

60

80

100

0,13 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 63bok oczka, mm

prze

chod

zi p

rzez

sito

, %

Rys. 7. Uziarnienie piasku do betonu: BZW, BWW.

Wymagania dopuszczalnych wielkości dla kruszyw mineralnych [3].(patrz tablica 8)

Rys. 6. Krzywe uziarnieniakruszywa:

a) 0 – 16 mmb) 0 – 32 mmc) 0 – 63 mm

stosowanyPiasek drobny 0/1mm –75%; 1/2 – 25% do BZW

zalecanyPiasek gruby 0,250 / 2mmdo BWW

Asortyment

Rodzaj Markakruszywa W

skaź

nik

rozk

rusz

enia

i prz

y m

iażd

zeni

u [%

]

Zaw

artość

zia

ren

słab

ych

[%]

Nas

iąkl

iwość

[%]

Mro

zood

porn

ość

[%]

Zaw

artość

zia

ren

nief

orem

nych

[%]

Zaw

artość

pył

ówm

iner

alny

ch [%

]

Zaw

artość

zani

eczy

szcz

eń o

bcyc

h[%

]

Zaw

artość

zw

iązk

ówsi

arki

[%]

Zaw

artość

zani

eczy

szcz

eńor

gani

czny

ch, b

arw

a

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Uszlachetniony - - - - - - 3,0 0,5 1,0Piasek i

piasekłamany Zwykły - - - - - - 4,0 0,5 1,0

Jednofrakcyjny frakcja 2-4 mm - - - - - - 3,0 0,5 1,0

Żwir Jednofrakcyjny powyżej 4 mmi wielofrakcyjny

1020

30

2416

12

1510

5

5,03,0

4,0/11,0

10,010,0

5,0

3025

20

3,02,0

1,5

0,50,5

0,25

1,00,5

0,1Jednofrakcyjny ze skał magmowych

i metamorficznych orazz otoczaków frakcji 2-4mm

- - - - - - 3,0 0,5 1,0

Jednofrakcyjny powyżej 4 mm,wielofrakcyjny ze skał magmowychI metamorficznych oraz otoczaków

203050

16128

---

3,01,50,81,5/2

5,03,01,0

252010

3,01,51,0

0,50,250,25

0,50,10,1

Żwir,grys

Grys

Jednofrakcyjny, ze skał osadowych(piaskowcowych i krzemionkowych)

frakcja 2-4 mm- - - - - - 4,0 0,5 1,0

Bar

wa

nie

ciem

niej

sza

od w

zorc

owej

Tablica 8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Jednofrakcyjny powyżej 4 mm orazwielofrakcyjny ze skał osadowych

(piaskowcowych i krzemionkowych)

102030

241612

---

10,06,03,0

20,010,05,0

302520

3,02,01,5

0,50,50,25

1,00,50,3

Jednofrakcyjny, ze skałwęglanowych frakcji 2-4 mm - - - - - - 6,0 0,5 1,0Żwir,

grys Grys

Jednofrakcyjny powyżej 4 mm orazwielofrakcyjny ze skał węglanowych

10203050

2416128

----

10,07,04,02,0

20,010,05,02,0

30252010

6,04,02,01,5

0,50,50,250,25

1,00,50,150,1

Drobna 0-4 mm - - - - - - 4,0 0,5 1,0

Kruszywo naturalne 1020

--

1510

5,03,0

10,010,0

3025

4,03,0

0,50,5

1,00,5

Łamana ze skał magmowych imetamorficznych oraz z otoczaków

1020

2416

--

3,03,0

5,05,0

3025

4,03,0

0,50,5

1,00,5

Mie

szan

ka k

rusz

ywa

natu

raln

ego,

mie

szan

kakr

yszy

wa ła

man

ego

sorto

wan

ego

i z o

tocz

aków

w

gruba

Łamana ze skał osadowych(węglanowych, piaskowcowych i

krzemionkowych)

1020

2416

--

10,07,0

20,010,0

3025

8,03,0

(6,0)

0,50,5

1,00,5

Bar

wa

nie

ciem

niej

sza

od w

zorc

owej

1 Badanie zawartości ziaren słabych i zwietrzałych wykonuje się dla ziaren kruszywa naturalnego2 W kruszywach mineralnych nie dopuszcza się występowania gudek gliny (wyjątek stanowi odmiana II kruszyw węglanowych).UWAGA: znak „–„ oznacza, że nie normuje się danego parametru.

c.d. tablicy 8

Tablica 9 Wytrzymałość kruszywa na miażdzenie w cylindrze(przykład 1– wyniki badań autorów [16])

Wytrzymałość skały w staniepowietrzno-suchym [MPa]

Miejscowość Frakcja[mm]

Wytrzy-malość

krusz. namiażdze

nie[MPa]

Ziarnapłaskie iwydłużo

ne [%] ściskanie rozciąga-nie zginanie

Wapień - Morawica5 – 1010 – 2020 – 40

18,813,59,6

13,04,53,2

120,0 4,2 11,4

Wapień – Jaźwica5 – 1010 – 2020 – 40

20,513,512,4

5,04,03,0

95,5 4,3 17,3

Wapień dolomityczny,Karwów

5 – 1010 – 2020 – 40

15,512,38,8

6,35,22,7

82,0 4,2 15,0

Dolomit wapnisty –Laskowa

5 – 1010 – 2020 – 40

21,811,89,5

5,05,56,7

105,0 5,2 18,2

Granit – Strzegom 5 – 1010 – 20

18,714,3

18,019,6 156,0 5,4 19,6

Sjenit – Przedborowa 5 – 1010 – 20

18,715,5

22,023,0 163,0 5,5 19,8

Bazalt – Wilcza Góra 5 – 1010 – 20

28,326,2

46,047,1 307,0 6,7 20,5

Żwir (ziarna z porfiru,granitu, kwarcytu,piaskowca, gnejsu)

Paczków

5 – 10 15,513,1

2,02,0 – – –

4. Sztuczne kruszywa lekkie do betonów

W Polsce od 1963 produkowane są z surowców ilastych keramzyt i glinoporyt (PN-78/B-01101).

Keramzyt (gliniec) otrzymuje się go przez pęcznienie łatwo topliwych iłów w procesiewypalania w piecach obrotowych. Ziarna kruszywa mają kształt zbliżony do kuli z poramizamkniętymi o czerepie spieczonym.

Glinoporyt (agloporyt) otrzymuje się przez spiekanie surowców ilasto-glinowychniepęczniejacych w panwiach i w piecach rusztowych, po rozkruszeniu otrzymuje siętłuczeń ceramiczny z porami otwartymi o czerepie spieczonym.Łupkoporyt otrzymuje się przez spiekanie łupków przywęglowych na taśmie

aglomeracyjnej. Następnie spieki te są kruszone i rozsiewane na określone frakcje. Ziarnamają kształt nieregularny z otwartymi porami od 0,06 do 1 mm lub kawernami oraz opowierzchni szorstkiej.

Popiołoporyt produkowany jest z popiołów lotnych otrzymywanych w elektrowniach(elektrociepłowniach) przez spalenie mielonego węgla.Żużel granulowany jest to odpad hutniczy o uziarnieniu do 5mm.

Żużel paleniskowy mimo, że uzyskuje się po spaleniu węgla to jednak zawiera cząstkiwęgiela, a uziarnienie jest zróżnicowane.

Pumeks hutniczy otrzymuje się w bryłach spienianie płynnego żużla, następnie jestkruszony.

Z wymienionych kruszyw sztucznych na całym świecie powszechnie jest stosowane dobetonów izolacyjno-konstrukcyjnych kruszywo keramzytowe. Ziarna jego mająrównomiernie rozłożone drobne zamknięte pory. Gęstość objętościowa waha się od 900 do1400 kg/m3, nasiąkliwość ok. 20 % przy porowatości ok. 20-50%. Natomiast gęstośćnasypowa 650–900 kg/m3 produkowanych na taśmach spiekalniczych, a w piecachobrotowych osiągają gęstość nasypową od 300 do 650 650 kg/m3. Pozostałe kruszywaposiadają zbliżone właściwości jak keramzyt. Natomiast najmniej wartościowymikruszywami lekkimi do betonów są żużle.

Ziarna granulowane keramzytu są kuliste i na obwodzie otoczone warstwą spieczonągładkiej powierzchnii i o grubości 50–100μm zamykającą pory wewnątrz ziarna. Dzięki tejspieczonej warstwie uzyskuje się obniżoną nasiąkliwość ziarn oraz lepszą urabialnośćmieszanki betonowej, pomaga temu kulisty kształt wszystkich ziarn.

Ograniczona jest produkcja lekkich kruszyw drobnych od 0-5mm. Kruszywa grubenajczęściej są produkowane 5-10mm, 10-20mm. Przy braku piasku lekkiego stosuje siępiasek kwarcowy. Wytrzymałość na ściskanie z wymienionymi (oprócz żużlowych)kruszywami można osiągnąć od 7,5 do 40MPa przy gęstości pozornej betonu od 1000kg/m3

do 1800kg/m3.Piasek naturalny kwarcytowy zwiększa gęstość objętościową betonu z 1250 kg/m3 przy

drobnym keramzycie do 1600 kg/m3, obniża wytrzymałość oraz zmniejsza izolacyjnośćcieplną. W takich przypadkach decydują wymagania użytkowe aby podwyższyć jakość, atym samym trwałość. Problemem jest duża nasiąkliwość kruszyw porowatych w czasiemieszania składników oraz transport mieszanki za pomocą pompy, ponieważ wodawypełnia pory otwarte bardzo łatwo i trudniej pory zamknięte zmienia stosunek w/c i wdalszej konsekwencji w okresie zimy zmniejsza odporność mrozową betonu. WedługNevilla brak jest zależności między wytrzymałością samego kruszywa i wytrzymałościbetonu wykonanego z tym kruszywem czyli chcąc uzyskać np. wytrzymałość 70 MPa tonależy zwiększyć ilość cementu powyżej 600 kg/m3 .

Przyczepność zaczynu do lekkiego kruszywa jest uzależniona od szorstkościpowierzchni ziarn od otwartych pór, które zwiększając przyczepność mechaniczną. Podrugie zaczyn cementowy może wnikać w głąb ziarn w czerepie ceramicznym z poramikapilarnymi. Następną przyczyną jest mała różnica między modułami sprężystości co mawpływ na zbliżone wielkości naprężeń w zaczynie i kruszywie i to eliminuje rysy wwarstwie stykowej.

Ogólnie można stwierdzić w ślad za treścią literatury Nevilla, że kruszywa lekkie niewpływają ujemnie na trwałość betonu z wyjątkiem mrozoodporności betonu z tytułunasycenia wodą ziarn kruszyw lekkich np. przed mieszaniem składników w betoniarce.Wnioskiem podsumowującym ocenę właściwości kruszyw lekkich w stosunku do kruszywmineralnych (łamanych i żwirowych) jest konieczność dokonywania takiej oceny poprzezbadania właściwości mieszanki betonowej i betonu stwardniałego. Ponadto należyprzypomnieć, że kruszywa sztuczne np. keramzytowe posiadają dużą jednorodność swoichwłaściwości fizycznych i mechanicznych czego nie ma np. w kruszywie naturalnym(żwirowym).

5 WARSTWA KONTAKTOWA ZACZYN – KRUSZYWO

5.1. Powstawanie i mikrostruktura warstwy kontaktowej

W strukturze betonu obok matrycy – zaczynu i wypełniacza – kruszywa wyróżnia sięjeszcze warstwę kontaktową między tymi dwoma składnikami [45], [60]. Głównewłaściwości użytkowe betonu: wytrzymałość, współczynnik sprężystości i przepuszczalnośćw większości przypadków przyjmują gorsze wartości niż dla samego kruszywa, zaprawy lubzaczynu [46]. Różnice przepuszczalności zaczynu i betonu mogą dla tego samego w/cróżnić się o ponad dwa rzędy wielkości, a różnice w wytrzymałości mogą być nawetdwukrotne [47]. Pogorszenia właściwości kompozytu w porównaniu do jego składnikównależy doszukiwać się w gorszych właściwościach warstwy kontaktowej zaczyn-kruszywo.

Warstwa kontaktowa o grubości zwykle nie większej niż 50µm jest de facto częściąstwardniałego zaczynu cementowego w betonach. Mikrostruktura, skład fazowy i grubośćmoże być znacznie zróżnicowana przez podobne czynniki, które kształtują mikrostrukturę iwłaściwości stwardniałego zaczynu cementowego [48], [49]:

- stosunek w/c,- mikrowypełniacze i dodatki mineralne, jak np. pył krzemionkowy,- domieszki plastyfikujące i upłynniacze,- czas, temperatura i wilgotnościowe warunki dojrzewania.Powstawanie warstwy kontaktowej o odmiennej strukturze od zasadniczej masy zaczynu

rozpoczyna się natychmiast po zmieszaniu cementu i kruszywa z wodą [48]. W porównaniuz zaczynem oddalonym wokół ziarn kruszywa gromadzi się większa ilość wody i znajdujesię tam mniejsza ilość ziarn cementu, co tłumaczy się „efektem ściany” [23] oraz segregacjąskładników możliwą nawet przy w/c=0,2 [49]. Bezpośrednio na samej powierzchni ziarn zeskał zbitych powstaje cienka błonka wody, której przeciętna grubość wynosi od kilku µm(np. przy w/c>0,5 i zawartości 350kg/m3 cementu bez dodatków) do około 0,1µm(w/c=0,25; 500kg/m3 cementu z pyłem krzemionkowym). Grubość błonki jak i zwiększonailość wody w całym obszarze wokół ziarn kruszywa, a tym samym grubość całej warstwykontaktowej, zależy od stosunku w/c i sumarycznej powierzchni całkowitej (w danejobjętości) spoiwa i wypełniacza. Ponadto w wyniku segregacji składników mieszankibetonowej znacznie więcej wody znajduje się przy dolnych powierzchniach ziarn kruszywai wkładek zbrojenia [49].

Już na początku hydrolizy cementu do błonki wody na ziarnach kruszywa trafiająnajbardziej ruchliwe jony: sodowe, potasowe, wapniowe, siarczanowe, glinianowe [48].Pierwszą uwodnioną fazą pojawiającą się wokół kruszywa jest portlandyt. Wraz zprzesyceniem roztworu Ca(OH)2 bezpośrednio na powierzchni kruszywa niereaktywnegowytrącają się zorientowane kryształy portlandytu (o osiach prostopadłych do powierzchniziarn), tworząc błonkę. Błonka może się wyraźnie nie wykształcać w przypadku niektórychrodzajów kruszyw, jak na przykład: kruszywa porowatego o porach otwartych [23],kruszywa węglanowego [50], czy według badań [51] łamanego bazaltu, w przeciwieństwiedo gładkich ziarn otoczaków (przyczyna tego nie została jednak wyjaśniona przez autorki).Na błonce Ca(OH)2 tworzy się mocno łącząca się z nią błonka fazy C-S-H. W efekciepowstaje zrośnięta podwójna błonka (duplex film) kryształów Ca(OH)2 i żelu C-S-H, którejgrubość jest określana na około 1 µm [45], [48], [52].

Wokół warstwy podwójnej znajduje się najbardziej porowata część strefy kontaktowej.Obszar warstwy kontaktowej kruszywo-zaczyn lub zbrojenie-zaczyn to miejsce, w którym

występuje największa względna ilość wodorotlenku wapniowego [24], [53]. Ponadto jakprzedstawiono na rysunku 5-1 stopień orientacji kryształów

Rys.8. Wpływ kruszywa na stopień orientacji portlandytu w strefie kontaktowej [53] 1 -marmur francuski, 2 - marmur włoski, 3 - kwarc, 4 - polietylen

portlandytu, choć różny dla poszczególnych kruszyw, jest zawsze maksymalny przyziarnach. Wraz z odległością od ziarna kruszywa stopień orientacji portlandytu maleje aż dozaniknięcia przez całą grubość warstwy kontaktowej [53], która dla ziarn grubych ze skałzbitych zwykle wynosi 40 do 50µm [2]. Część warstwy kontaktowej poza warstwąpodwójną jest luźno wypełniona dużymi przeważnie zorientowanymi kryształamiportlandytu i ettringitu oraz porowatym żelem C-S-H [48]. Wraz ze wzrostem odległości odpowierzchni kruszywa zmniejsza się zawartość ettringitu i portlandytu. W części porowatejwarstwy kontaktowej występująca ilość fazy C-S-H, w porównaniu do zawartości wzaczynie, jest znacznie mniejsza. Faza C-S-H jest porowata i luźna. W obszarze warstwykontaktowej w betonach zwykłych przeważnie nie pozostają nie uwodnione ziarna cementulub jedynie występują ich nieznaczne resztki.

Wczesne pojawienie się w bliskim otoczeniu ziarn kruszywa jonów wapniowych,siarczanowych i glinianowych o dużym stężeniu, jest przyczyną występowania w warstwiekontaktowej zwiększonej zawartości ettringitu w porównaniu do zasadniczej masy zaczynu.Trójsiarczanoglinian krystalizuje w postaci stosunkowo dużych igieł i pręcików oprzeważającym układzie radialnym w stosunku do powierzchni kruszywa [24]. Zwiększonestężenie jonów siarczanowych w tej strefie ogranicza przemianę ettringitu wmonosiarczanoglinian. Z badań Monteiro [55] wynika, że zawartość ettringitu wzrasta corazbardziej przy zbliżaniu się do ziarn kruszywa (rys.9). Po jednym dniu hydratacji

zróżnicowanie stężenia ettringitu między zaczynem w warstwie kontaktowej a zasadnicząmasą zaczynu jest szczególnie wyraźne.

Rys. 9. Stężenie ettringitu w zależności od odległości od ziarna kruszywa [55]

Stosunek w/c w całej warstwie kontaktowej jest wyższy niż proporcja wody i cementu wwykonywanej mieszance [56]. Natomiast w zaczynie oddalonym od ziarn, w konsekwencjimigracji do ich powierzchni części wody, zwiększa się ilość cementu i zmniejsza się ilośćwody, a więc obniża się stosunek w/c i jest on nawet mniejszy niż w recepturze betonu [47].Lokalne zmiany stosunku w/c są oczywistą przyczyną znacznego zróżnicowaniaporowatości na obszarze warstwy kontaktowej i matrycy betonu (rys. 10).

Rys. 10. Porowatość strefy kontaktowej, matrycy betonu i stwardniałego zaczynucementowego o w/c = 0,33 [57]

Inte

nsyw

ność

, cps

0

5

1 0

1 5

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0

o d le g ło ś ć o d p o w ie r z c h n i k ru s z y w a

poro

wat

ość,

%

ì m

strefa kontaktowa

matrycabetonu

zaczyn

Warstwa kontaktowa charakteryzuje się największą porowatością w całej objętościstwardniałego zaczynu cementowego w betonie, co wpływa na jej mniejszą wytrzymałość wporównaniu do matrycy. Winslow [58] z pewnym przybliżeniem zobrazował typowyrozkład wielkości porów w zaczynie i zaprawie przedstawiony na rysunku. Widocznaróżnica w przebiegu krzywych sumarycznej objętości porów w obu materiałachprzypisywana jest właśnie strefie kontaktowej. Inny rozkład wielkości porów w zaczynie i

Rys. 11. Rozkład wielkości porów w zaczynie i w zaprawie [58].1 - zaprawa, 2 – zaczyn, 3 – warstwa kontaktowa

zaprawie jest głównie powodowany obecnością porów o średnicy większej niż 100nm wnajbliższym otoczeniu ziarn kruszywa.

Występowanie dużych porów kapilarnych w warstwie kontaktowej doskonale wyjaśniaprzyczynę większej przepuszczalności betonu o prawie dwa rzędy wielkości i zaprawy o 5do 10 razy w stosunku do przepuszczalności zaczynu [47]. Gorsze właściwości fizycznezaczynu w warstwie kontaktowej oraz duża zawartość w niej portlandytu, szczególnie wpostaci dużych kryształów, zmniejszają nie tylko wytrzymałość betonu, ale także jegoodporność korozyjną.

5.2 Wpływ rodzaju kruszywa na warstwę kontaktową

Adhezja dwóch różnych składników betonu: stwardniałego zaczynu cementowego iziarn kruszywa wynika z następujących czynników:

- mechanicznego zazębienia się zaczynu o nieregularną, szorstką i nierówną powierzchniękruszywa,

- epitaksjalnego wzrostu faz uwodnionych na powierzchni ziarn kruszywa,- powstania produktów reakcji kruszywa z zaczynem cementowym.

Adhezja zaczynu do kruszywa łamanego jest większa niż do kruszywa otoczakowego zdwóch względów. Ziarna łamane są zdecydowanie bardziej szorstkie i nieregularne, a takżepowierzchnia kontaktu (rzeczywista powierzchnia właściwa) tych ziarn z zaczynem

cementowym jest o wiele większa [16]. Stąd na jednostkę powierzchni ziarna łamanegoprzypada mniejsza ilość wody. Z wielokrotnych badań wynika, że wytrzymałość betonu zkruszywa łamanego jest istotnie większa niż betonu z kruszywa otoczakowego o podobnymskładzie mineralnym i porowatości [2]. Kruszywo łamane ma podobny korzystny wpływ nawspółczynnik sprężystości betonu.

Rozważając zagadnienie relacji właściwości betonu i warstwy kontaktowej zaczyn-kruszywo, należy wspomnieć o wpływie wielkości ziarn kruszywa. Otóż wokół ziarndużych, a w szczególności gładkich (otoczakowych), gromadzi się wyraźnie grubszawarstwa wody niż wokół drobnych ziarn piasku, mniejszych o ponad jeden rządwielkości.

Warstwa kontaktowa przy ziarnach dużych zawiera duże i lepiej wykształconekryształy portlandytu i ettringitu, a ponadto jest grubsza [44]. Również porowatośćwarstwy kontaktowej przy tych ziarnach jest większa niż przy ziarnach drobnych. Podwpływem skurczu, pęcznienia lub naprężeń właśnie w strefie kontaktowej ziarngrubych dochodzi w pierwszej kolejności do mikropęknięć i zarysowania [98].

Rys.12. Wpływ maksymalnej wielkości ziarna kruszywa na wytrzymałość na ściskaniebetonu o różnym w/c [60]

Przedstawiona na rysunku 5-5 wytrzymałość na ściskanie jest wyraźnie mniejsza, nawet oponad 25%, w przypadku betonu, w którym zastosowano kruszywo o maksymalnej średnicyziarn 75mm przy stosunku w/c równym 0,40 [60]. Ujemny wpływ kruszywa grubego nawytrzymałość betonu jest malejący wraz ze wzrostem stosunku w/c [24]. Duże znaczeniewarstwy kontaktowej zostało podkreślone w betonach o wysokiej wytrzymałości, a wzaleceniach wykonywania tych betonów wskazano na potrzebę stosowania kruszywałamanego o maksymalnej frakcji 2-16mm lub nawet 2-8mm bez ziarn długich i płaskich[61], [62].

Większa porowatość i zawartość porów dużych w strefie kontaktowej betonu z kruszywabardzo grubego ma istotne znaczenie dla właściwości decydujących o trwałości betonu [60].

Przedstawiona na rysunku 13 przepuszczalność betonów wskazuje jednoznacznie na jejwyraźną zależność od maksymalnej średnicy ziarn kruszywa. Przepuszczalność betonuwzrasta proporcjonalnie do wielkości maksymalnych ziarn kruszywa. Największa różnica wprzepuszczalności występuje między zaprawą (ziarna do 4,8mm) a betonem z kruszywagrubego (ziarna od 38 mm), nie zaś między zaczynem a zaprawą [63].

Rys. 13. Wpływ maksymalnej wielkości ziarn kruszywa i stosunku w/c na współczynnikprzepuszczalności betonu [63]

Wytrzymałość, przepuszczalność, a także trwałość betonu z różnych kruszyw o tymsamym uziarnieniu i o tym samym stosunku w/c są zwykle dość zróżnicowane [53].Również odporność korozyjna betonów z kruszyw o różnym składzie mineralnym nie jestjednakowa [64], [65], [66]. Na właściwości fizyczne i odporność siarczanową betonówpozytywnie wpływają kruszywa z wapieni zbitych i metamorficznych oraz z dolomitów[67], [68], [69]. Dodatkowo należy zaznaczyć, że właściwości (wytrzymałość,współczynnik sprężystości, porowatość) tych zbitych skał węglanowych ogólnie nieprzewyższają właściwości innych skał, a nawet są często gorsze od właściwości większościskał magmowych [16]. Przyczyna korzystnego zachowania się betonów z kruszywwęglanowych tkwi zatem w strefie kontaktowej stwardniałego zaczynu cementowego zwapienia lub dolomitu. Stopień orientacji kryształów portlandytu jest mniejszy wokół ziarnmarmuru niż wokół kwarcu lub wypełniacza całkowicie obojętnego (Rys. 8), co dowodzimniejszej podatności na pękanie strefy kontaktowej wokół wapienia [53]. Przyczepnośćpolerowanych skał (kwarc, kwarcyt, ortoklaz, mika, anhydryt, dolomit, wapień) do zaczynuz cementu portlandzkiego i glinowego jest różna, ale jest ona największa w przypadkuwapienia i dolomitu. Aktywny udział wapienia w procesie hydratacji w strefie kontaktowejzostał potwierdzony powstaniem wżerów na powierzchni wypolerowanej płytki. Przyzastosowaniu cementu glinowego i kruszywa wapiennego Farran [70] zaobserwowałtworzenie karboglinianu w strefie kontaktowej. Również w przypadku cementuportlandzkiego wyniki badań przyczepności kruszyw do zaczynu zostały potwierdzone

przez Zimbelmanna [71] (rys.14). Wraz z czasem hydratacji po 40 dniach przyczepnośćmiędzy zaczynem z cementu portlandzkiego o w/c=0,35, a wapieniem polerowanym iłamanym osiąga najwyższe wartości, a ponadto znacznie wzrasta przez następne 60 dni(rys.14).

Rys. 14. Wpływ rodzaju kruszywa na przyczepność do stwardniałego zaczynucementowego przy w/c = 0,35 [71]

Efekt ten według Zimbelmanna [71] jest bardziej związany z epitaksjalnym wzrostemkryształów portlandytu niż z reakcją chemiczną wapienia z zaczynem.

Natomiast zachodzenie reakcji chemicznych między kruszywem wapiennym, azaczynem z cementu portlandzkiego obserwowali Grandet i Olivier [72], którzy stwierdziliwzrastającą zawartość karboglinianu przy zbliżaniu się do powierzchni kruszywa (rys.15).Zawartość C3A.CaCO3.H11 jest największa przy samej powierzchni kruszywa wapiennego iw odległości kilku mikrometrów.

Zakres oddziaływania CaCO3 na zaczyn mieści się w odległości do około 40µm, a więcprawie jedynie w warstwie kontaktowej [72], w której jest podwyższona zawartość jonówglinianowych. Zawartość karboglinianu zwiększa się wyraźnie z czasem hydratacji (rys.5-8), co według tych autorów [72] jest kolejnym dowodem trwającej reakcji kruszywawapiennego z zaczynem. Wzrastająca zawartość C3A.CaCO3.H11 w warstwie kontaktowejwyjaśnia dodatkowy, wydłużony w czasie przyrost wytrzymałości betonów z kruszywwęglanowych [16], [72]. Karboglinian jest produktem reakcji chemicznej CaCO3 zglinianami wapniowymi obserwowanej przez autora w zaczynach z cementuportlandzkiego, a także glinowego [28], [67], [68], [69], [74]. W przypadku dużegorozdrobnienia wapienia (kruszywo drobne, mączka, pył) przy dużej zawartości C3A wcemencie ulega przereagowaniu nawet 20 do 25% kalcytu, a na powierzchniach większychziarn notowane są ubytki i wżery [75].

Rys. 15. Zawartość karboglinianu w strefie kontaktowej [72]

Wzrost zawartości ettringitu z czasem hydratacji (rys.9), obserwowany przez Monteiro iMehtę [55] oraz karboglinianu (rys.15), zauważone przez Grandeta i Oliviera [53], [72], atakże wyraźnie wzrastająca zawartość obu hydratów przy zbliżaniu się do powierzchnikruszywa wapiennego zostały w pełni potwierdzone przez Kuzela [76] i Pöllmanna [73].Autorzy ci wykazali trwałą współobecność ettringitu i karboglinianów przy dostępie CaCO3do zaczynu z cementu portlandzkiego oraz nie zanotowali przemiany ettringitu wmonosiarczanoglinian. Powstawanie karboglinianów w betonie (w warstwie kontaktowej iw zaczynie) z faz glinianowych i węglanu wapniowego, czyli z kruszyw węglanowych lub zmączki wapiennej, przynosi bardzo cenną poprawę właściwości konstrukcyjnych betonu (p.pkt 7), a także jego trwałości w różnych warunkach [14], [27], [28], [67].

Ogólnie można podsumować, że zmiany fizycznych i użytkowych właściwości betonu,zachodzące przy stosowaniu różnych kruszyw, zależą nie tylko z ich odmienności – jakorodzaju materiału, ale także ze zróżnicowania mikrostruktury warstwy kontaktowejkruszywo-zaczyn cementowy, często posiadającej większą odpowiedzialność niż kruszywo.

6. Zachowanie się betonów z różnym kruszywem pod obciążeniem

Źródłem odkształceń betonu – skurczu i pęcznienia są zmiany objętości zaczynucementowego zachodzące w procesie hydrolizy, hydratacji [56] i w reakcjach korozji [28], atakże zmiany zawartości i ruch wody w zaczynie [88]. Odkształcenia zaczynu cementowegosą ograniczane przez ziarna kruszywa, nie ulegające z tych przyczyn zmianom objętości.Opór jaki kurczący się lub pęczniejący w betonie zaczyn napotyka na ziarnach, wywołuje wnich naprężenia, odpowiednio rozciągające lub ściskające [77]. Ziarna kruszywa zostająwówczas poddane naprężeniom przeciwnym niż zaczyn. Wobec najmniejszejwytrzymałości zaczynu w porowatej warstwie kontaktowej może wystąpić jej przerwaniepowierzchnią bardzo bliską ścian ziarna czyli „odspojenie” ziarn od matrycy [16], [78]. Ointensywności zjawiska i rozmiarze jego skutków, w strukturze betonu decydują nie tylkozaczyn (cement, w/c), ale także wszystkie opisane wcześniej czynniki kształtujące warstwękontaktową ze strony kruszywa, czyli skład mineralny, uziarnienie, kształt ziarn,

rzeczywista powierzchnia właściwa, porowatość. W efekcie w obszarze warstwykontaktowej powstają mikrorysy, które mogą ulec łatwiejszemu rozwieraniu lub wydłużaniupodczas obciążania betonu [80].

Do drugiej grupy czynników kreujących naprężenia własne w obszarze warstwykontaktowej, należą zmiany temperatury związane z: wydzielaniem ciepła podczashydratacji cementu (w szczególności dotyczy budowli masywnych), obróbką termiczną ioddziaływaniem otoczenia (np. ocieplanie i oziębianie dobowe lub sezonowe) [81]. Ponadtonależy podkreślić, że wpływ na wartość lokalnych odkształceń termicznych (a tym samymnaprężeń) ma także dobór najkorzystniejszego kruszywa do zaczynu cementowego zewzględu na zróżnicowane wartości współczynników odkształcalności termicznej [14], [36],[68]. Tak duże znaczenie warstwy kontaktowej (szczególnie w betonach zwykłych zkruszywami ze skał zwartych np. bazaltu, andezytu, kwarcytu, granitu) jest związane zpękaniem drogą wyznaczoną właśnie przez powierzchnie warstw kontaktowych.

Przy jednoosiowym ściskaniu betonu zwykłego już przy niskim poziomie naprężeń (dookoło 30% wytrzymałości słupowej [82]) dochodzi do zwiększającego się otwieraniamikrorys, powstałych wcześniej w warstwach kontaktowych kruszywo grube–zaczyn. Przywzrastającym obciążeniu kontynuacja propagacji rys w warstwach kontaktowych trwa aż donaprężenia inicjującego σi, wynoszącego ok. 0,35–0,55Rs w betonach zwykłych i 0,6–0,7Rsw betonach wysokowartościowych [83]. Duże zróżnicowanie poziomu naprężeniainicjującego jest związane ze strukturą warstwy kontaktowej. Po przekroczeniu naprężeniaσi rysy z warstw kontaktowych łączą się i powstają także w matrycach, a nawet w ziarnachkruszywa grubego. Przy destrukcji naprężeniowej pęknięcia przebiegające przez ziarnaprzeważają w betonach lekkich (z kruszywem porowatym) i w betonachwysokowartościowych, w których warstwa kontaktowa ma małą porowatość i małą grubość[23], [84]. W betonach z kruszywa węglanowego pękanie odbywa się zwykle przez ziarna.Przekroczenie poziomu naprężenia krytycznego σcr (dla betonu zwykłego 0,60–0,85, dlawysokowartościowego 0,7-0,9) jest właściwie równoznaczne z całkowitym zniszczeniem istanowi wytrzymałość długotrwałą, czyli jest granicą pełzania nieliniowego [82], [84]. Wbetonach zwykłych i wysokowartościowych o mocnych warstwach kontaktowych poziomσcr jest zwykle wyższy.

Występowanie mikrorys, a następnie pękanie w warstwie kontaktowej jest w pełniuzasadnione jej najmniejszą wytrzymałością w kompozycie, a poza tym warstwa ta jestskrajną krawędzią zaczynu przy powierzchni kruszywa. Wynika stąd, że jedynie warstwykontaktowe, których wytrzymałość i odkształcalność są blisko podobne do ziarn kruszywa imatrycy (przy ich doskonałej adhezji) stwarzają możliwość bardziej jednorodnego rozkładunaprężenia i odkształcenia.

Bardzo dobrym i znanym przykładem jest porównanie poziomu naprężeń σi i σcr wbetonach zwykłych B20 z kruszywa otoczakowego, łamanych bazaltowego i wapiennego[78], [79].

Określone tam poziomy naprężeń inicjujących i krytycznych przy jednoosiowymściskaniu wyniosły:

0,4 – dla betonów z kruszywem bazaltowym,

c

i

fσ

: 0,51– dla betonów z kruszywem wapiennym,

0,44 – dla betonów z kruszywem otoczakowym,

0,8 – dla betonów z kruszywem bazaltowym,

c

cr

fσ

: 0,88 – dla betonów z kruszywem wapiennym,

0,78 – dla betonów z kruszywem otoczakowym.

Dla zginanych belek żelbetowych z betonu z kruszywem wapiennym momenty rysującebyły nawet o 20% wyższe niż w przypadku zastosowania kruszywa otoczakowego ibazaltowego.

Dokonując oceny naprężeń inicjujących i krytycznych z punktu widzenia kruszywanależy także zwrócić uwagę na krzywą przesiewu stosu okruchowego. Hoła [81] napodstawie badań betonu z kruszywa otoczakowego o zmiennej zawartości punktupiaskowego (od 20% do 85%) stwierdził, że poziom naprężenia σi jest największy przywysokich punktach piaskowych w granicach od 45% do 60% i wynosi około 0,5. Przyniskiej zawartości piasku w stosie okruchowym (20%) i bardzo wysokiej (85%) wartościpoziomu naprężenia σi są znacznie niższe i wynoszą odpowiednio 0,4 i 0,345 [81].

Natomiast wraz ze wzrostem punktu piaskowego poziom naprężeń krytycznych dlabetonu z kruszywa otoczakowego ma tendencję wzrostową od 0,7 do 0,9.

7. Wpływ kruszywa na właściwości betonów

Wiele podstawowych właściwości betonu jest zależnych od rodzaju zastosowanegokruszywa. Do właściwości tych należą m.in. wytrzymałość, współczynnik sprężystości,odkształcenia pełzania czy nawet odporności na oddziaływanie agresywnego środowiska, cojest często pomijane lub niewłaściwie wykorzystywane w praktyce .

7.1. Wytrzymałość

Liczne badania autorów [14], [28], [74], potwierdziły lepszą wytrzymałość na ściskanie irozciąganie betonu z kruszyw łamanych niż z kruszywa otoczakowego lub pospółkowego.Wpływ kruszywa o różnym pochodzeniu i kształcie ziarn (łamane i otoczakowe) bardzodobrze potwierdza rysunek 16, przedstawiający zależność wytrzymałości betonu na tle klasyzastosowanego cementu [85].

Wśród kruszyw łamanych ze skał zbitych wyróżniają się kruszywa węglanowe o małejporowatości: (p<3%). Dzięki dużej przyczepności do zaczynu cementowego wapienia (p.pkt 5.2) wytrzymałość na ściskanie i na rozciąganie betonów z tych kruszyw mimo nienajwiększej wytrzymałości skały, przekracza wytrzymałość betonów z tradycyjnychkruszyw – bazaltu, granitu lub kwarcytu – uznawanych jako kruszywa szczególnieprzydatne do betonów konstrukcyjnych (zbrojonych i/lub sprężone), [14], [27], [28], [74].

Innym przykładem zależności wytrzymałości betonu od rodzaju kruszywa grubego sąwyniki badań betonów wysokowartościowych [86]. Wytrzymałość na ściskanie betonów ostosunku w/c=0,33 z czterech kruszyw łamanych ze skał zbitych – granitu, andezytu,hornblendy, wapienia oraz ze żwiru okazała się być znacznie zróżnicowana i wynosiła od90MPa dla betonu z kruszywa granitowego do 120MPa dla betonu z kruszywa wapiennego(rys. 7-2). Jak wyjaśniła autorka [86] największa wytrzymałość betonu z kruszywawapiennego jest związana z jego dużą wytrzymałością na rozciąganie i dobrąprzyczepnością ziarn wapienia do zaczynu cementowego.

Rys. 16. Wytrzymałość na ściskanie betonów z kruszywa łamanego i otoczakowego [85]

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

0

50

100

150

1

Wyt

rzym

alość

na ś

cisk

anie

Rys. 17. Wytrzymałość betonów wysokowartościowych z różnymi kruszywami [86].

fc, MPa

wap

ień

h

ornb

lend

a

ande

zyt

żw

ir

gran

it

7.2. Współczynnik sprężystości

Znaczny wpływ kruszywa grubego na współczynnik sprężystości betonu jestpodkreślany tylko w niewielu pozycjach literatury [28], [65], [87]. Współczynniksprężystości betonu zależy nie tylko od wytrzymałości na ściskanie betonu, ale także odwspółczynnika sprężystości skały (kruszywa). Jednak i w tym przypadku duże znaczenieodgrywa przyczepność zaczynu do kruszywa (a więc struktura warstwy kontaktowej).Autorzy stwierdzili równe lub większe wartość Ec betonów z kruszywa wapiennego (o małejporowatości) niż betonów z kruszywa bazaltowego i dużo większe niż betonów z kruszywgranitowego i otoczakowego. Porównanie wyników współczynnika sprężystości betonu B20z kruszyw wapiennego z Morawicy i granitowego ze Strzegomia po 28 i 180 dniachdojrzewania jako przykład przedstawiono na rys. 18.

Wyniki badań właściwości mechanicznych betonów wysokowartościowych (w/c=0,27)wykazały dość wyraźny związek współczynnika sprężystości betonu i kruszywa. Mimowysokiej wytrzymałości betonu z kruszywa z piaskowca (fc=107MPa) i samej skały (f-sk=147MPa) wartość współczynnika sprężystości tego betonu była relatywnie bardzo niska(Ec=31GPa), a było to związane z niską wartością modułu Esk samej skały (tabl. 16).Autorzy [84] dodatkowo wyjaśniają, że możliwość uzyskania tak wysokiej wytrzymałościbetonu z piaskowca była związana z jego stosunkowo wysoką porowatością (p>6%)(znacznie polepszającą przyczepność kruszywa do zaczynu) i rzadko spotykaną krzywą,naprężenie–odkstształcenie, wykazującą zmniejszanie przyrostu odkształcenia wraz zewzrostem naprężenia ściskającego.

��������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

15

20

25

30

35

40

1czas

E c, G

Pa

Rys. 18. Współczynnik sprężystości betonów B20 z kruszywa wapiennego i granitowegodojrzewających przez 28 i 180 dni w wodzie

28 dni 180 dni

wap

ień

gra

nit

wap

ień

gra

nit

Tablica 10 Właściwości mechaniczne skał i betonów w wieku 91dni [84]

Piaskowiec Wapień Kwarcytskała beton skała beton skała beton

Wytrzymałośćna ściskanie,

[MPa]147 107 115 106 87 99

Modułsprężystości,

[GPa]40 31 49 44 45 42

Podobnie jak to ma miejsce w porównaniu skał (tabl. 10) największą wartość modułusprężystości osiągnął beton z kruszywa wapiennego (Ec=44GPa). Z przedstawionychdanych badań o odkształcalności doraźnej betonu wynika dość jasny wniosek, że wartośćwspółczynnika sprężystości przy projektowaniu i wykonywaniu konstrukcji betonowychnależy określać na podstawie stosowanego kruszywa i wytrzymałości betonu, a nie napodstawie samej wytrzymałości, jak to ma miejsce w wielu pozycjach literatury, a nawetnormach.

7.3. Pełzanie

Wobec dużego udziału obciążenia stałego w całkowitym obciążeniu większościkonstrukcyjnych elementów betonowych, żelbetowych i sprężonych istotne jest takżerozeznanie wpływu kruszywa na odkształcenie betonu pod obciążeniem długotrwałym.Źródłem pełzania jest podatność na zmiany objętości stwardniałego zaczynu cementowegopod obciążeniem długotrwałym. Zatem jak potwierdziło wiele wyników badań [87], [88],pełzanie choć jest proporcjonalne do zawartości zaczynu w betonie to odkształcenie to jestodwrotnie proporcjonalne do wytrzymałości betonu. Jednak oceniając odkształcenia betonudanej klasy jako kompozytu zawierającego kruszywo grube, jednoznacznie należystwierdzić, że w warunkach praktycznych dominujący pozostaje wpływ kruszywa.Odkształcenie pełzania jest odwrotnie proporcjonalne do objętościowej zawartościkruszywa w betonie. Ponadto autorzy [14], [67], [68], [87], na podstawie badań betonów z15 kruszyw stwierdzili, że w większości przypadków pełzanie było zgodne zodkształceniami sprężystymi, potwierdzając zdanie i uogólnienie proponowane przezNeville’a, Dilgera i Brooksa w jednej z najważniejszych z pozycji [88] na temat pełzania.Wyniki badań wpływu rodzaju kruszywa pod względem jego składu mineralnego na 25-letnie odkształcenia zostały przedstawione w pracy dla betonów o wszystkich takich samychproporcjach i warunkach przechowywania (w/c=0,59; K/c=5,67; σ=5,5MPa, t=18oC,ww=50%). Z rysunku 19 najbardziej wyodrębniają się krzywe największego inajmniejszego odkształcenia pełzania betonów odpowiednio z kruszywa z piaskowca i zkruszywa wapiennego. Odkształcenie betonu z kruszywa z piaskowca było aż 2,5-krotniewiększe niż betonu z kruszywa wapiennego. W jednym i drugim przypadku autorzyprzedstawianego tu tekstu całkowicie potwierdzają na podstawie

Rys. 19. Pełzanie betonu z różnymi kruszywami [88]

własnych badań pełzania i współczynnika sprężystości tę relację dotyczącą wpływukruszywa wapiennego i piaskowcowego na odkształcalność obu betonów. Odnośniekruszywa bazaltowego zdanie autorów jest inne, mianowicie odkształcenia doraźne i poddługotrwałym obciążeniem betonu z kruszywa bazaltowego, z polskich złóż są znaczniemniejsze niż odkształcenia z betonów z innych kruszyw (poza węglanowymi). Natomiastpełzanie betonu z pozostałych kruszyw (żwir, granit, kwarc) ma charakter podobny, raczejzmienny w zależności od swojego pochodzenia (złoża).

9.4. Trwałość

Analizując obszerne zagadnienie trwałości betonu należy przypomnieć bardzo trafnestwierdzenie Kurdowskiego [56]: „wielka porowatość strefy przejściowej stanowić będzienajsłabszą część, od której rozpocznie się korozja betonu”. Autorzy chcą tu dodać napodstawie własnych badań i analiz, że w przypadku betonów zwykłych praktycznie każdeniszczenie betonu, a w tym także destrukcja naprężeniowa i chemiczna, rozpoczyna się odwarstwy kontaktowej. Projektując i oceniając trwałość betonu, największą uwagę należyzwrócić wśród wszystkich właściwości na przepuszczalność, nazywaną przez autorytetywiedzy o betonie „miarą potencjalnej trwałości betonu” [89], „kryterium trwałości betonu”[63] lub „kluczem do trwałości betonu” [90]. Zatem ogólny wpływ kruszyw na trwałośćbetonu należy rozważać przede wszystkim ze względu na własną przepuszczalność skały ize względu na kreowanie warstwy kontaktowej przez dany rodzaj kruszywa, o czymmówiono dość dokładnie wcześniej.

Bezpośrednie badania przepuszczalności betonu z kruszyw węglanowych (o porowatościmniejszej niż 4%) wykazały znacznie mniejsze wartości współczynnika przepuszczalnościniż przy zastosowaniu kruszywa otoczakowego i bazaltowego. Interesujące są także zmianyprzepuszczalności betonu zachodzące w czasie. Korzystny efekt zdecydowanie mniejszejprzepuszczalności betonu przebywającego w wodzie i w roztworach Na2SO4 osiągnięto przyzastosowaniu kruszywa wapiennego (rys. 20). Efekt ten jest związany z powstawaniemmonokarboglinianu w warstwie kontaktowej, który ją znacznie uszczelnia.

Rys. 20. Współczynnik przepuszczalności betonów z kruszywa granitowego i wapiennegow wodzie i w roztworach Na2SO4

Za przykład korzystnego wpływu kruszywa–wapienia na trwałość (i równocześnie napełzanie betonu) mogą służyć wyniki, przeprowadzonych przez autora [28], badań betonupod długotrwałym obciążeniem w roztworach siarczanowych i w wodzie. Próbki betonuB20 z kruszywa granitowego w roztworze Na2SO4 wykazały pęcznienie pod osiowymobciążeniem ściskającym przy poziomie σ/Rs = 0,275 i bardzo krótki czas do całkowitegozniszczenia przy poziomie σ/Rs = 0,65 (rys. 21a). Natomiast zmiany przebiegu odkształceńbetonu z kruszywem wapiennym w roztworze Na2SO4 i w obu warunkach obciążenia nieodbiegają tak bardzo od odkształceń w wodzie (rys. 21b). Przedstawione wyniki na rysunku7-6 wskazują zatem na lepszą odporność siarczanową i mniejsze pełzanie betonu zkruszywa wapiennego niż z kruszywa granitowego.

a)

Rys. 21. Odkształcenia betonów zanurzonych w roztworze Na2SO4 i w wodzie podrównoczesnym długotrwałym obciążeniem ściskającym, a) beton z kruszywa granitowego,

b) beton z kruszywa wapiennego

W betonach z przeciętnych cementów portlandzkich (C3A ≥ 8%, Na2Oe > 0,7%)poddanych obróbce termicznej w temperaturze t > 700C podczas dalszego dojrzewania wwodzie zachodzi ekspansja, w dużej mierze powodowana przez powstawanie zbitego,amorficznego ettringitu w warstwie kontaktowej zaczynu z kruszywem [56]. Ekspansjabetonu z kruszywa wapiennego (rys. 22) prawie nie zachodzi i nie tworzą się otoczkiettringitu w warstwie kontaktowej [91]. Podobny korzystny efekt daje wprowadzenie dobetonu jako dodatku mączki wapiennej lub zastosowanie cementu CEM II A-L.

Rys. 22. Ekspansja betonu z różnym kruszywem po obróbce termicznej (t=950C) podczasdojrzewania w wodzie [91]. 1- granit, 2- flint, 3- wapień, 4- beton nie poddany obróbce

termicznej

b)

Ponadto należy podkreślić możliwość bezpiecznego i tańszego wykonywaniaprefabrykatów betonowych poddawanych obróbce termicznej przy zastosowaniu kruszywawapiennego.

Oddzielnym zagadnieniem trwałości betonu łączącym się z kruszywem jest jegoreaktywność z alkaliami znajdującymi się w zaczynie cementowym. Jak wspomnianowcześniej (p. pkt 5) w warstwie kontaktowej względna zawartość wodorotlenków sodu ipotasu jest największa w całym zaczynie cementowym, a dotyczy to w szczególnościbetonów o w/c>0,4. Dodatkowo w obszarze tym istnieje wysoka zawartość wodorotlenkuwapniowego, koniecznego do wystąpienia reakcji alkalia-krzemionka. Zatem w warstwiekontaktowej powstają warunki wysoce sprzyjające szkodliwej reakcji alkalia-kruszywonawet przy małej zawartości reaktywnych minerałów w ziarnach kruszywa.W betonie mogą wystąpić 3 formy reakcji alkalia-kruszywo, wywołujące zarysowanie ipękanie aż do zniszczenia betonu:

- reakcja alkalia-krzemionka,- reakcja alkalia-węglany,- reakcja alkalia-krzemiany.

W zależności od warunków powstawania, krzemionka występuje w kilku odmianachpolimorficznych, tworząc różne formy krystaliczne, kryptokrystaliczne lub bezpostaciowe.Do reakcji z alkaliami zdolne są tylko te formy krzemionki, w strukturze których występujązaburzenia. Krzemionka występuje w skałach w postaci kryptokrystalicznego kwarcu,chalcedonu, opalu, trydymitu, krystobalitu lub jako bezpostaciowa. Kwarc jako formakrystaliczna w niewielkim stopniu ulega powierzchniowemu działaniu alkaliów. Chalcedonjest formą włóknistą lub kryptokrystaliczną krzemionki i wykazuje reaktywność z alkaliami.Trydymit i krystobalit jako odmiany wysokotemperaturowe krzemionki krystalicznej wnormalnych warunkach są niestabilne i ulegają działaniu alkaliów. Opal jest formąbezpostaciową uwodnionej krzemionki i jest bardzo podatny na działanie alkaliów.Reaktywne formy krzemionki występują w rogowcach opalowych i chalcedonitowych,riolitach, dacytach, andezytach, fylitach, gnejsach, granitach, kwarcytach, łupkach ilasto-mikowych, a także krzemionkowych skałach węglanowych. Wodorotlenki sodu i potasureagują z aktywną krzemionką. Głównym produktem reakcji jest żel uwodnionegokrzemianu sodowego lub potasowego, mający zdolność do pęcznienia pod wpływemwchłaniania wody. Wzrost objętości żelu wywołuje ekspansję ziaren kruszywa i ichpękanie, rysowanie warstwy kontaktowej, pęcznienie betonu, a w konsekwencji tworzeniegłębokich rys o rozwarciu do kilku milimetrów. Skutkiem towarzyszącym rysowaniu betonujest zmniejszanie wytrzymałości i współczynnika sprężystości betonu i przemieszczaniekrzemianów alkalicznych i alkaliczno-wapniowych do rys powstających w betonie.

Do drugiej grupy kruszyw mogących ulegać szkodliwej reakcji z alkaliami należąkruszywa z niektórych skał węglanowych, którymi w większości przypadków, jak wykazujepraktyka potwierdzona badaniami, są zwykle zdolomityzowane wapienie [15], [16]. Procesniszczenia związany z ekspansją ziaren kruszyw a następnie całego betonu wiąże się zreakcją rozpuszczonych w zaczynie alkaliów i kruszywa. Podczas reakcji zachodzi rozpaddolomitu według podanej poniżej reakcji [56].

CaMg(CO3)2 + (Na, K)OH → Mg(OH)2 + CaCO3 + (Na, K)2CO3

Powstające produkty – kalcyt i wodorotlenek magnezu w postaci koloidalnej lubkrystalicznej (brucyt) – nie wiążą kationów sodowego i potasowego, które pozostają wroztworze porowym i reagują ponownie z dolomitem. Reakcja rozkładu dolomitu wedługSwensona i Gillota staje się szczególnie niebezpieczna i niszcząca beton, gdy rozkład

kryształów dolomitu (równoznaczny ze wzrostem porowatości ziarn kruszywa) udostępniadrogę dla wody i rozpuszczonych w niej alkaliów do cząstek (wtrąceń) minerałów ilastych,często znajdujących się w skałach węglanowych. W zbitych skałach węglanowychwzajemne ułożenie drobnokrystalicznego kalcytu i dolomitu uniemożliwia dostęp wody dominerałów ilastych. W procesie dedolomityzacji następuje naruszenie struktury skały, a wnastępstwie tego zachodzi sorpcja wody przez minerały ilaste dotąd bez dostępu wodnychroztworów alkaliów. Przeprowadzone przez B. Penkalę i J. Piastę [19], [20] badania skałwęglanowych wykazały, że jeżeli w skale nie występuje dostateczna ilość minerałówilastych, to mimo obecności charakterystycznych cech właściwym skałom reaktywnymekspansja nie występuje. Szybkość potencjalnego pęcznienia jest ściśle związana zpostępem dedolomityzacji. Produkty rozkładu dolomitu (Mg(OH)2 i CaCO3) krystalizują wporach skały w postaci bardzo drobnych kryształów o koloidalnych rozmiarach. Kryształy temają dużą powierzchnię właściwą i zdolność adsorpcji wody, w następstwie czego zwiększasię ich objętość.

Najbardziej podatne na ekspansję alkaliczną z grupy skał węglanowych są wapieniedolomityczne i dolomity wapienne zawierające substancje ilaste w ilości powyżej 2%.Reaktywne skały węglanowe mają strukturę bardzo drobnoziarnistą. W drobnoziarnistejstrukturze węglanu wapnia i rozproszonych substancji ilastych tkwią drobne kryształydolomitu o pokroju romboedrycznym. Szybkość rozkładu kryształów dolomitu poddziałaniem alkaliów zależy od ich wymiarów. Kryształy dolomitu większe od 74µm reagująbardzo powoli, natomiast bardzo szybko zachodzi reakcja kryształów mniejszych od 2µm.Większa powierzchnia właściwa kryształów dolomitu ułatwia reakcję dedolomityzacji.Najbardziej reaktywnymi skałami węglanowymi, są te, w których ilości dolomitu i kalcytusą zbliżone, a pory są drobne i połączone ze sobą.

Reaktywność skały węglanowej może również być związana z obecnością w niejaktywnej krzemionki. Stopień reaktywności skały zależy od postaci krzemionki, np.obecność opalu w ilości 2% wagowych może spowodować nieprzydatność skały doprodukcji kruszywa do betonów.

Piśmiennictwo

1. Kozłowski S., Surowce skalne Polski, Wyd. Geol., Warszawa 19862. Piasta J., Technologia betonów z kruszywem łamanym, Arkady, Warszawa 19743. PN-86/B-06712/ Kruszywa mineralne do betonu4. Surowce mineralne woj. kieleckiego, Wyd. Geol., 19715. Surowce mineralne regionu krakowskiego, Wyd. Geol., 19756. Surowce mineralne woj. olsztyńskiego, Wyd. Geol., 19787. Surowce mineralne Ziemi Lubuskiej (woj. zielonogórskie i gorzowskie, Wyd.

Geol., 19788. Surowce mineralne woj. opolskiego, Wyd. Geol., 19799. Surowce mineralne Dolnego Śląska, Ossolineum, 197910. Surowce mineralne woj. częstochowskiego, Wyd. Geol., 198111. Jaworski A., Katalog właściwości fizycznych minerałów, Przedsiębiorstwo

Poszukiwań Geologicznych, Warszawa, 1974/197512. Bolewski A., Turno-Morawska M., Petrografia, Wyd. Geol., Warszawa 196313. PN-88/B-06250, Beton zwykły14. Piasta J., Badania kruszywa ze skał węglanowych z woj. kieleckiego i ich

zastosowania do betonów konstrukcyjnych, pr. dr., Politechnika Warszawska, 1971

15. Piasta J., Zachowanie się kruszyw węglanowych w betonach z cementami o różnejzawartości alkaliów, Politechnika Świętokrzyska, Zeszyty Naukowe, Budownictwo8, Kielce 1980

16. Piasta J., Piasta W., Beton zwykły, Arkady, Warszawa, 199417. Piasta J. i inni, Sprawozdanie z badań reologia betonu z kruszywem żwirowym z

dna Bałtyku, Politechnika Świętokrzyska, Kielce, 197918. Piasta J., Owsiak Z., Piasta W.G., Cieśla J., Skawiński M., Trwałość betonu w

istniejących wiaduktach A-4, XLII Konf. Nauk. Kom. Inżyn.Ląd.i Wodn. PAN iPZiTB, Krynica 1996

19. Hobbs D.W., Alkali - silica reaction in concrete, Thomas Telford Ltd., London,1988

20. Hooton R. D., Permeability and pore structure of cement pastes containing fly ash,slag and silica fume, ASTM Symp., Denver, 1984

21. Owsiak Z., Kurdowski Symposium, str. 221-228, Kraków 200122. Owsiak Z., XLVII Konf. Nauk. Komitetu Inż. Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu

Nauki PZITB, Tom 3, Krynica 200123. Neville A.M., Właściwości betonu, Polski Cement, Kraków 200124. Mehta P.K.,Concrete-Structure, Properties and Materials Prentice Hall New Jersey,

198325. PN-99/B-03264, Konstrukcje betonowe, żelbetowe I sprężone26. Deja J., Kijowski P., ABC betonu, Polski Cement, Kraków 199927. Piasta W.G., Odporność siarczanowa kompozytów z cementu glinowego i kruszyw

wapiennych, praca doktorska, politechnika Poznańska, Poznań, 198928. Piasta W.G., Korozja siarczanowa betonu pod obciążeniem długotrwałym,

monografie, studia, rozprawy nr 21, politechnika Świętokrzyska, Kielce 200129. Hooton R.D., Rogers C.A., 9th Inter. Conf. AAR in Concr., London, 199230. Shayan A., Quick G., Pro. 8th Intern. Conf. AAR in Concr., Kyoto, 198931. Oberholster R.E., Maree H., Brand J.H.B., Proc. The 9th ICAAR in Concrete,

London, 199232. Jones T.N.. Poole A.B., Proc. of 7th Intern. Conference on AAR in Concrete,

Ottawa, 198633. Z. Rusin – praca doktorska pt. „Właściwości betonu z odpadowego kruszywa

węglanowego w funkcji składu mieszanki betonowej i ciśnienia prasowania”Politechnika Śląska, Gliwice1976 – 1980

34. A. Deneka - praca doktorska pt. „Trwałość betonów z kruszywem z wapienizbitych w agresywnym środowisku siarczanowym”- Politechnika Warszawska,1976-1980

35. Włodzimierz Grochal – praca doktorska pt: „ Reologiczne właściwościprasowanych betonów z kruszywem wapiennym w funkcji składu mieszanekbetonowych”, Politechnika Gdańska, Gdańsk, 1980

36. Zbigniew Sawicz – praca doktorska „Wpływ podwyższonych temperatur nawłaściwości betonów z kruszywami węglanowymi” - Politechnika Śląska Gliwice,1982

37. Lesław Hebda – praca doktorska „ Betony wodoszczelne z kruszywamiwęglanowymi”Politechnika Warszawska, Warszawa, 1989

38. J.Wawrzeńczyk – praca doktorska „Wpływ czynników technologicznych nastrukturę i mrozoodporność betonu z kruszywem wapiennym”- PolitechnikaŚląska, Gliwice, 1990

39. Gamched Abdul Karim – praca doktorska „Ocena metodami nieniszczącymiwytrzymałości betonów z kruszywami węglanowymi”, Politechnika Szczecińska,Szczecin, 1991

40. Sprawozdanie „Zbadanie możliwości produkcji prefabrykatówwielkowymiarowych metodą prasowania przy wykorzystaniu drobnych kruszywwapiennych”, Politechnika Świętokrzyska, Kielce, 1979

41. Henk Sok Sambath – praca doktorska „ Odporność betonu z dodatkiem CaCO3 podobciążeniem długotrwałym w agresji chemicznej”, Politechnika Świętokrzyska,Kielce,1996

42. Owsiak Z., Wpływ struktury betonów prasowanych z drobnym kruszywemwęglanowym na ich właściwości, Politechnika Warszawska, Warszawa 1983

43. Rusin Z., Zjawiska fizyczne w zamrożonym kruszywie i ich związek zmrozoodpornością betonu , zeszyty naukowe PŚk, Budownictwo 29, Kielce, 1989

44. Bentur A., Bond 6, Darmstädter Massivbau-Seminar, Darmstadt 199145. Mindess S., Odler I., Skalny J., 8th ICCC, Vol. 1, pp.151-158, Rio de Janeiro 198646. Ollivier J.-P., Grandet J., Proc. RILEM Collog. Toulose, pp. A-14 to A22, 198247. Young J.F., in Permeability of Concrete, ACI SP -108, pp. 1-18, 198948. Maso J. C., 7th ICCC, sub-theme VII-1, Paris 1980.49. Kucharska L., CWB 2/1999, str. 39-4550. Monteiro P. J.H., Mehta P.K., CCR, Vol.16, pp. 127 - 134, 1986.51. Grzeszczyk S., Matuszek-Chmurowska A., III Konf. Nauk.-Tech.,

MATBUD’2000, Mogilany 2000.]52. Diamond S., 8th ICCC, Vol.1, pp.113-121, Rio de Janeiro 1986.53. Grandet J., Ollivier J.P., 7th ICCC, Vol.3, pp.VII-63/68, Paris 198054. Mehta P. K., Concrete, structure, properties and materials, Englewood Cliffs, NJ,

Prentice - Hall, pp. 450, 198655. Miletié S.R., Ilié M.R., 10th ICCC, Vol.4, p.4IV023, Göteborg 199756. Monteiro P. J. M., Mehta P. KCCR, Vol. 15, pp. 378 - 380, 1985.57. Kurdowski W., Chemia cementu, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1991.58. Scriver KL., Bentur P.L., Adv. Cem. Res. 1/4 , 198859. Winslow D.N., Engineering Foundation, New York, 1984, pp. 105-11960. Piasta J., Piasta W.G., Beton zwykły, Arkady, Warszawa 1994.61. Held M., Darmstädt Massivbau-Seminar, Band 6, II, Darmstädt 199162. Cordon W.A., Gillespie H.A., ACI, Proc. Vol. 60, No.8, pp.1029-50, 196363. Piasta W.G., Piasta J., CWB, Nr 3, str.83-87, 199764. Piasta J., Piasta W.G., Przegląd Budowlany 8/9, 199265. Ollivier J.-P., RILEM Tech. Comm. TC 116, Permeability of Concrete as a

Criterion of its Durability 199366. Piasta W.G., 9th ICCC, Vol.5, pp. 136 - 142, New Delhi, 199267. Piasta W.G., Schneider U., CCR, Vol. 22, No.1, pp.149 - 158, 199268. Piasta J., Piasta W.G., Sawicz Z., ACI SP 100-111, Vol.2, pp. 2153-2170, Atlanta

1987.69. Piasta W.G., Sawicz Z., Owsiak Z., Koprowski G., 10th ICCC, Vol.4, 4IV018,

Göteborg 1997.70. Piasta W.G., Proc. Internat. Symp., University of London 1990.71. Piasta W. G., Korozja siarczanowa betonu pod obciążeniem długotrwałym,

monografia, Politechnika Świętokrzyska 2000,72. Piasta W.G., Sawicz Z., Piasta J., CCR, Vol.19, No.2, pp. 216-227, 1989.

73. Farran J., Contribution mineralogique a l′etude de ladherence entre les constituanshydrates des ciments et les materiaux associes, Rev. Mat. Constr., 490-491 i 492,1956

74. Zimbelmann R., CCR, Vol.15, pp. 801-808, 198575. Grandet J., Ollivier J.P., CCR, Vol. 10, p.759, 198076. Pöllmann H., 9th ICCC, New Delhi 1992, p. 36377. Piasta W.G., Heng S. S., Odporność siarczanowa obciążonego betonu z

wypełniaczami wapiennymi, CWB/1997.78. Piasta W.G., Odporność siarczanowa kompozytów z cementu glinowego i kruszyw

wapiennych, pr. dr, Politechnika Poznańska, Poznań 1989.79. Conjeaud M., Lelong B., Cariou B., 7th ICCC, Vol. III, p. VII-6, Paris 198080. Kurdowski W. i inni, XVII Konf. Nauk. Techn., Jadwisin 2000, str. 219-22..81. Kurdowski W., XVI Konf. Nauk. Techn., Jadwisin 1998, str. 393-40...82. Kurdowski W., Konf. Beton na progu nowego millenium, Kraków 2000,83. Flaga K., Inż. i Budownictwo, Nr 6/95, str. 315-32284. Flaga K., Furtak K., AiL, tom XXVII, z.4/198185. Flaga K., Furtak K., AiL, tom XXVIII, z.1-2/198286. Biliszczuk J., Beton do budowy mostów, Prace Naukowe Nr 32, seria 10,

Politechnika Wrocławska, Wrocław 198687. Hoła J., Naprężenia inicjujące i krytyczne a destrukcja naprężeniowa w betonie

ściskanym, monografia, Politechnika Wr., Wrocław 2000.88. Godycki-Ćwirko T., Mechanika betonu, Arkady, Warszawa 198289. DiTommaso A., Evaluation of concrete fracture, Ed., Carpinteri A., Fracture

Mechanics of Concrete, Martinus Nijhoff Publishers, The Hague 199490. Baalbaki W. i inni, ACI Mat. Jour., Sep-Oct. 199191. Mierzwa J., Konf. Beton na progu nowego milenium, Kraków 2000, str. 85-9592. Roy D.M., Jiong W., IX ICCC, Vol 6, Poster Session, New Delhi 199293. Piasta J., Grochal W., Pełzanie betonu z kruszywem węglanowym, PAN, Komisja

Budownictwa Ossolineum, Kraków 198794. Neville A.M., Dilger W.H., Brooks J.J., Creep of plain and structural concrete,

Construction Press, London, New York 1983.95. Hilsdorf H.K., Schőnlin K., Burieke F., Dauerhaftigkeit von Betonen, Universität

Karlsruhe, 199296. Haynes H.H., Permeability of concrete in sea water, ACI - SP 65-2, pp.23-38