Kruszywa według PN-EN 12620+A1:2010 a jakość betonu

Stos okruchowy – mieszanina kruszyw o różnych uziarnieniach i żądanych właściwościach, przeznaczona do wykonywania konkretnego zgodnego z zaprojektowanym składem betonu.

Matryca cementowa – stwardniały zaczyn cementowy.

Od lat zainteresowania tech­nologów betonu kierowane są głównie na dwa zagadnienia: zaprojektowanie odpowiednio trwałej matrycy cementowej i ułożenie jak najbardziej optymalnego stosu okru­chowego. Oprócz struktury zaczynu to właśnie właściwości geometryczne kruszywa są tymi, które w najwięk­szym stopniu decydują o jakości be­tonu i mieszanki betonowej. Należy jednak zauważyć, że jakość betonu to także jego trwałość, a ta jest ści­śle związana nie tylko z uziarnieniem kruszywa, ale także z jego cechami fizycznymi i chemicznymi (fot.). Wykaz najważniejszych właściwości kruszywa do betonu wraz z normami badawczy­mi i kryteriami, według których należy dokonywać ich oceny, został podany w normie PN-EN 12620+A1:2010 [1]. Wymieniono w niej łącznie ok. 28 cech, które w zależności od znaczenia podzielono na:

– podstawowe właściwości kruszywa (tab. 1),

– właściwości specyficzne, zależne od końcowego zastosowania (tab. 2),

– właściwości, które związane są z rodzajem kruszywa i powinny być badane jedynie dla specyficznych źródeł (tab. 3).

Wszystkie te cechy mogą wpływać w sposób mniej lub bardziej istotny na jakość betonu i/lub mieszanki be­tonowej.

Poniżej omówiono krótko wpływ po­szczególnych właściwości na beton, w podziale na cechy geometryczne, fizyczne, chemiczne i trwałość (tak jak to jest formalnie ujęte w normie). W tym miejscu warto podkreślić, że wkrótce oczekiwana jest istotna no­welizacja wszystkich podstawowych zharmonizowanych norm na kruszy­wa, która zmieni w znaczący sposób m.in. niektóre definicje i podstawowe kategorie uziarnienia.

 

Tab. 3 Właściwości dla kruszyw pochodzących ze specyficznych źródeł

Właściwości geometryczne kruszywa

Znaczenie właściwości geometrycznych

Właściwości geometryczne kruszy­wa, do których można zaliczyć uziarnienie, wskaźnik kształtu lub płaskości, zawartość muszli, zawartość pyłów i, niewymienioną w normie [1], zawartość ziaren przekruszonych, decydują o podstawowej charaktery­styce betonu i mieszanki betonowej. Odpowiadają za jego urabialność, wodożądność, szczelność i jamistość, podatność na segregację, wpływając poprzez te parametry na jego wytrzy­małość i trwałość.

Podstawowym zadaniem techno­loga betonu jest skomponowanie optymalnego stosu okruchowego, najczęściej z dwóch lub trzech kru­szyw. Zakres dobrego uziarnienia (krzywe na rysunku) – jakim powi­nien się taki stos charakteryzować – można znaleźć w licznych podręcz­nikach i dokumentach normowych, m.in. w nieaktualnej już normie PN-B 06250:1988 [2]. Teoretycz­nie obszar między górnymi a dolnymi granicami pola dobrego uziarnienia powinien zapewnić szczelność sto­su okruchowego i odpowiednią ciąg­łość mieszanki betonowej, jednak jakość uzyskanego stosu okrucho­wego mogą modyfikować pozostałe właściwości geometryczne. Z tego powodu przy projektowaniu betonu należy brać je pod uwagę i wprowa­dzać doświadczalnie, lub tam gdzie to możliwe obliczeniowo, odpowied­nie poprawki.

Uziarnienie

Ze względu na uziarnienie kruszywo dzieli się na kruszywo drobne, gru­be i o ciągłym uziarnieniu. W normie [1] wskazano jeszcze tzw. kruszywo o uziarnieniu naturalnym, ale zgodnie z definicją mieści się ono w zakresie uziarnienia ciągłego. Podział kruszywa na kruszywo drobne (piasek) i kruszy­wo grube (żwir lub grys) jest uzasad­niony rolą, jaką odgrywa ono w beto­nie. Podczas gdy kruszywo drobne może pełnić funkcję stabilizującą mieszankę betonową, wpływając na jej lepkość, urabialność i podatność na segregację, to kruszywo grube stanowi głównie objętościowe wypeł­nienie. Według normy [1] graniczny wymiar stanowi 4 mm, w technologii betonu przyjęto jednak posługiwać się terminem „punkt piaskowy”, oznacza­jącym frakcje do 2 mm. Jak istotny jest to podział, świadczy fakt, że czę­sto projektowanie stosu okruchowe­go betonu rozpoczyna się i kończy na ustaleniu określonego punktu piasko­wego, zapewniającego wystarczającą pompowalność czy urabialność mie­szanki betonowej.

Z wielkością ziarna wiąże się także podstawowa właściwość kruszywa, jaką jest wodożądność – czyli zapo­trzebowanie na wodę, aby uzyskać określoną konsystencję mieszanki betonowej. Jest ona uzależniona od wielkości powierzchni ziarna, czy­li przede wszystkim jego rozmiaru, chociaż wpływa na nią także chropo­watość i kształt ziarna. Im kruszywo drobniejsze, tym więcej ziaren znaj­duje się w określonej jednostce masy lub objętości, tym większa su­maryczna powierzchnia tych ziaren i tym większa wodożądność stosu okruchowego. Z różnych funkcji i wła­ściwości poszczególnych frakcji kru­szywa wynika szukanie pewnej równowagi przy opracowywaniu receptur betonu: z jednej strony dąży się do stosu okruchowego jak najmniej wodożądnego, tak aby osiągnąć beton o jak najmniejszym skurczu, jak naj­bardziej szczelny i o jak największej wytrzymałości, a z drugiej strony nie można zapominać o właściwościach reologicznych mieszanki betonowej oraz jakości powierzchni elementów betonowych, których wygląd jest uzależniony od dużej ilości drobnych części. Z tego powodu w wytycznych dotyczących betonów samozagęszczalnych, architektonicznych czy be­tonów posadzkowych bardzo często znajdują się dodatkowe wymagania dotyczące frakcji poniżej 0,125 mm lub 0,25 mm, mające w zamierzeniu ograniczyć skurcz i bleeding (oddawa­nie wody przez mieszankę betonową) lub poprawić jakość powierzchni czy ustabilizować mieszankę betonową. Należy nadmienić, że wymagania sta­wiane niektórym betonom (jednocześ­nie estetyka, urabialność i trwałość) są często niemożliwe do spełnienia samym tylko doborem uziarnienia i zwykle konieczne jest stosowanie domieszek: upłynniających, stabilizu­jących i ograniczających bleeding. Wielkość ziaren ma znaczenie jesz­cze z jednego względu. Za najsłabszą część betonu zwykłego, bez dodatków pyłu krzemionkowego, przyjmuje się zwykle strefę kontaktową kruszywo/ zaczyn. Wielkości do kilkudziesięciu mikrometrów wokół kruszywa charakteryzują się znacznie podwyższoną porowatością. Może ona decydować m.in. o przepuszczalności betonu, szybkości dyfuzji chlorków, karbonatyzacji, wytrzymałości. Im kruszywo jest drobniejsze, tym strefa ta obej­muje większy obszar.

Przy układaniu stosu okruchowego, szczególnie przy betonach wysoko- wartościowych i w prefabrykacji ele­mentów wibroprasowanych, kluczową rzeczą jest powtarzalność uziarnienia, stąd m.in. obowiązek deklaro­wania przez producentów także to­lerancji na sitach pośrednich. Brak powtarzalności uziarnienia może być przyczyną znacznych wahań jakości betonu i nieustabilizowania jego pro­dukcji. Zmienność stosu okruchowe­go ma wpływ na konsystencję i może mieć także wpływ na rzeczywisty sto­sunek w/c, co nawet przy niewielkich różnicach może skutkować wyraźnymi defektami estetycznymi (różnica bar­wy jest już widoczna przy różnicy w/c rzędu 0,2).

Rys. Przykładowe krzy­we graniczne kru­szywa wg [2]

Pyły

Nieco innym zagadnieniem jest wy­stępowanie pyłów w kruszywie. Gdy są one dodawane w postaci wypeł­niaczy do mieszanki betonowej, sta­nowią pełnowartościowy jej składnik wpływający korzystnie na właściwo­ści reologiczne. Wodożądność pyłów można wówczas zrekompensować domieszkami chemicznymi, w rezul­tacie uzyskując betony o wysokich parametrach jakościowych. Inaczej jest, gdy pyły występują w kruszy­wie jako zanieczyszczenie, oblepiając powierzchnię ziaren. Wówczas ich negatywna rola polega głównie na izolowaniu kruszywa od zaczynu ce­mentowego, osłabiając w ten sposób już i tak słabą strefę kontaktową. Szkodliwość pyłów w dużym stopniu zależy od składu, niektóre z nich mają właściwości pęczniejące lub jonowymienne, inne są zupełnie inertne.

Kształt kruszywa

Pozostałe właściwości geometrycz­ne kruszywa zależą ściśle od ro­dzaju skały, z której ono powstało, jego charakterystyki petrograficz­nej, teksturalnej i strukturalnej oraz sposobu przekruszenia. Kształt kru­szywa modyfikuje w znaczący sposób właściwości obliczeniowo ustalonej krzywej stosu okruchowego. Ziarna płaskie i wydłużone charakteryzują się większą powierzchnią od ziaren izometrycznych, wpływając na wodożądność i urabialność mieszanki betonowej; są trudniejsze do zagęszczenia, mają większą tendencję do segregacji, łatwo powstają pod nimi pustki i raki. Podobnie negatyw­nie jak kształt kruszywa oddziałują muszle obecne w kruszywach po­chodzenia morskiego i powierzchnia ziaren przekruszonych. Ta ostatnia cecha wpływa istotnie na wodożądność kruszywa, zwiększając ją w grysach zwykle o 10-15% w stosunku do wodożądności żwirów i znacznie zmniejszając urabialność mieszan­ki betonowej. Przekruszenie ziaren może jednak być także korzystne, ponieważ szorstka powierzchnia daje możliwość lepszej fizycznej przyczep­ności zaczynu cementowego. Właściwości dotyczące kształtu kru­szywa: wskaźnik płaskości lub kształ­tu, zawartość muszli bada się tylko dla kruszyw grubych, ale w kruszy­wach drobnych wpływ na urabialność betonu bywa jeszcze większy niż w przypadku kruszyw grubych. Widać to szczególnie przy piaskach łama­nych lub kruszywie z recyklingu, które we frakcji poniżej 4 mm ma zdecydo­wanie negatywny wpływ na parametry betonu. Badanie ziaren nieprzekruszonych, również odnoszące się do kształtu kruszywa, nie jest niestety badaniem powołanym w normie [1]. Mimo to warto jest je wykonywać lub przynamniej zaznaczać obecność ziaren łamanych w tradycyjnie stoso­wanych nazwach kruszywa: „żwir”, „grys”, „grys z otoczaków” lub „żwir kruszony”.

Właściwości fizyczne i trwałość

Właściwości fizyczne i trwałość kru­szywa są pochodną składu i wykształ­cenia petrograficznego skały, z których ono powstało. Norma [1] zalicza do właściwości fizycznych i trwałościo­wych: nasiąkliwość i gęstość, mrozo­odporność badaną bezpośrednio (trzy metody), reaktywność alkalia-krzemionka, odporność na ścieranie (trzy metody), polerowanie, wytrzymałość na rozdrabnianie, skurcz przy wysy­chaniu. Wymienione cechy mają zasad­nicze znaczenie, jeżeli chodzi o jakość betonu w środowiskach o określonej agresywności. Ze względu na wystę­pujące w Polsce warunki klimatyczne i częstotliwość zgłaszanych reklama­cji odnośnie do właściwości betonu do najważniejszych można zaliczyć mro­zoodporność i związaną z nią nasiąkliwość. Należy przy tym zwrócić uwagę na często pojawiający się problem: mrozoodporność badana w wodzie zupełnie nie oddaje trwałości kruszy­wa narażonego na oddziaływanie soli. Często jest tak, że kruszywo o bar­dzo dobrej deklarowanej odporności na mróz (kategoria F1, ubytek masy poniżej 1%) w obecności środków odladzających jest niemrozoodporne (ubytek masy nawet powyżej 12%). Problemy sprawia także reaktywność alkalia-krzemionka, której lekcewa­żenie w polskich warunkach skutkuje niejednokrotnie wadami dyskwalifiku­jącymi z użycia elementy betonowe o wysokich wymaganiach jakościowych dotyczących powierzchni.

Fot. Efekt zastosowania niemrozoodpornego kruszywa w betonie o dobrej, trwałej matrycy cementowej

Właściwości chemiczne kruszyw

Właściwości chemicznych, takich jak zawartość chlorków, siarki, związków organicznych, nie można zwykle przy­pisać konkretnej skale. Ich obecność wiąże się najczęściej z zanieczysz­czeniem kruszywa (chlorki, związki or­ganiczne) lub zjawiskami mineralizacji danej skały (siarczki). Niektóre właści­wości chemiczne są jednak związane z konkretnym typem kruszywa tak jak rozpady (krzemianowy i związków żela­za) z żużlem wielkopiecowym, zgorzel słoneczna z bazaltem (jej badanie nie jest objęte normą [1]) czy siarczany rozpuszczalne w wodzie z kruszywem recyklingowym.

Występowanie zjawisk i związków tu wymienionych zagraża trwałości be­tonu. W przypadku siarki, rozpadów żużla i związków organicznych za­grożenie dotyczy zaczynu cemento­wego, natomiast obecność chlorków niesie ze sobą ryzyko korozji stali. Całkowite zniszczenie elementu be­tonowego, które jest efektem reakcji korozyjnych, powoduje, że wymóg ba­dania tych właściwości chemicznych znajduje się praktycznie w każdej specyfikacji dotyczącej betonu kon­strukcyjnego.

Skład petrograficzny

Mimo że obecnie istnieje tendencja, aby nie brać pod uwagę składu pe­trograficznego kruszywa, kierując się jedynie jego jakością, to znajo­mość petrografii umożliwia prze­widzenie niektórych cech kruszy­wa i co za tym idzie jego trwałości w pewnych środowiskach: wapienie są skałą, którą się zwykle bardzo dobrze poleruje, jest nieod­porna w środowiskach kwa­śnych i której jakość jest ściśle związana z czysto­ścią chemiczną; piaskowce mają bardzo wysoką odpor­ność na polerowanie; skały magmowe i metamorficzne bywają zazwyczaj mrozoodporne. Ze względu jednak na fakt, że każda skała jest specyficzna pod względem składu i historii, nie moż­na zapominać o ich bada­niach. Normy obecnie nie podają także wymagań do­tyczących składników szkodliwych w betonie, takich jak margle, piryt (siarczek żelaza), minerały ilaste, za­nieczyszczenia obce, grudki gliny. Ich obecność oprócz badań petrograficznych można jednak stwierdzić badaniami fizykomechanicznymi: obecność margli, grudek gliny, minerałów ila­stych często jest widoczna w badaniach mrozoodporno­ści, pyłów czy nasiąkliwości, pirytu w badaniach siarki. Przy wysokich wymaganiach dotyczących powierzchni kryteria te są jednak nie­wystarczające. Wówczas należy postawić odrębne wymagania dotyczące ich obecności w kruszywie, tak jak dla związków wpływają­cych negatywnie na wykoń­czenie powierzchni (załącz­nik G4 do normy [1]).