Wpływ kruszyw łamanych na właściwości

Jacek Góra
Wojciech G. Piasta
Wpływ kruszyw łamanych na właściwości
wytrzymałościowe betonów wysokiej jakości
THE INFLUENCE OF CRUSHED AGGREGATES ON STRENGTH PROPERTIES
OF HIGH QUALITY CONCRETES
Streszczenie
W referacie przedstawiono wyniki badań własnych dotyczących wytrzymałości na ściskanie betonów zwykłych i wysokowartościowych z różnych kruszyw. W celu bardziej
jednoznacznego wyjaśnienia zagadnienia wszystkie badania przeprowadzono przy użyciu
próbek kostkowych 150x150x150 mm oraz walcowych o średnicy 150 mm i wysokości
300 mm. Wszystkie wyniki poddano wnikliwej analizie statystycznej. Wpływ kruszywa
na wytrzymałość na ściskanie betonów bez pyłów krzemionkowych wydaje się bardziej
wyraźny przy małych wartościach w/c. Przedstawione wyniki badań podstawowych
doraźnych właściwości betonów potwierdzają wskazania literaturowe, dotyczące wykorzystania kruszyw węglanowych w betonach wysokiej jakości klasyfikowanych, jako
zwykłe i wysokowartościowe.
Abstract
The paper describes the compressive strength test results of normal and high performance
concretes with varied aggregates. In order to explain the problem all the tests have been
done with the use of cubical specimens 150x150x150 mm and cylindrical specimens of 150
mm in diameter and 300 mm in height. All the test results have been statistically analyzed
in detail. The effect of aggregates on compressive strength of concretes without silica
fumes seems to be more clear with lower water/cement ratio (w/c). The presented test
results of basic properties of concretes under immediate load confirm literature premises
concerning the use of carbonate aggregates in high quality concretes classificated as normal
and high performance concretes.
mgr inż. Jacek Góra – Politechnika Lubelska
dr hab. inż. Wojciech G. Piasta, prof. PŚk. – Politechnika Świętokrzyska, Kielce
Wpływ kruszyw łamanych na właściwości wytrzymałościowe ...
1. Wprowadzenie
Powszechnie do betonów konstrukcyjnych wysokiej jakości stosuje się kruszywa bazaltowe i granitowe, natomiast kruszywa węglanowe wykorzystuje się w niewielkim stopniu.
Również w normach i niektórych publikacjach ogranicza się ten typ kruszyw do zastosowania w betonach średnich i niższych wytrzymałości. Jednak w wielu zagranicznych
opracowaniach naukowych, a także krajowych uzasadnia się możliwość używania kruszyw węglanowych dobrej jakości do betonów wysokich wytrzymałości. Przykładowo
w USA, wśród kruszyw łamanych zużywanych do produkcji betonu, węglanowe stanowią
prawie 70%, w Polsce tylko 20%. Generalnie w praktyce odczuwalny jest brak zaufania
do kruszyw węglanowych.
Mimo, że jest to niedoceniane, wśród kruszyw łamanych ze skał zbitych wyróżniają
się kruszywa węglanowe (zwykle mieszanina kalcytu i dolomitu o różnych proporcjach) o małej porowatości nieprzekraczającej 4%. Ze względu na ich skład fazowy mają
one możliwość reagowania z zaczynem cementowym, co przynosi korzystne zmiany
w warstwie kontaktowej (np. powstawanie monokarboglinianu, zmniejszanie porowatości
i wielkości porów, wzrost wytrzymałości warstwy). Zewnętrzny efekt jest w większości
przypadków łatwo zauważalny na podstawie większych wartości wytrzymałości i modułu
sprężystości betonu. Poprawa właściwości betonu z kruszywa węglanowego jest tym
większa, im dłuższy jest czas dojrzewania. Ze względu na wytrzymałość skał węglanowych zwykle niższą niż bazaltu, diorytu, granitu, czy kwarcytu, kruszywa węglanowe
są niezbyt chętnie widziane jako wypełniacze do betonów wysokowartościowych, mimo
przesłanek naukowo-badawczych popierających ich zastosowanie [6] do betonów o wytrzymałości na ściskanie fcm wynoszącej 120 MPa.
2. Charakterystyka badanych betonów
W celu przeanalizowania wpływu łamanych kruszyw grubych na właściwości wytrzymałościowe betonów wykonano dwa rodzaje mieszanek betonowych o różnych wartościach współczynnika wodno-cementowego. W efekcie przy wartości w/c wynoszącej
0,45 uzyskano betony klasyfikowane jako zwykłe (oznaczenie betonów BI) oraz betony
wysokowartościowe (oznaczenie betonów BII) o w/c = 0,28.
Betony BI i BII wykonano z trzech różnych kruszyw łamanych o uziarnieniu 2÷16 mm:
bazaltowego z kamieniołomu Gracze (B), dolomitowego z Laskowej Góry (D), granitowego
z Granicznej k. Strzegomia (GR) oraz piasku naturalnego płukanego (0÷2 mm) z Suwałk.
We wszystkich badanych betonach zastosowano cement CEM I 42,5 HSR NA niskoalkaliczny, o dużej odporności na siarczany oraz superplastyfikator zawierający lignosulfonian
z dodatkiem sulfonowanego polikondensatu melaminy z formaldehydem.
W porównywanych betonach przyjęto zasadę zachowania tej samej objętości kruszywa
grubego. Stosy okruchowe poszczególnych kruszyw utworzono z wydzielonych frakcji
2÷4, 4÷8, 8÷16 mm, uwzględniając zróżnicowanie gęstości objętościowych bazaltu, dolomitu
i granitu, tak by zawartość poszczególnych frakcji kruszyw grubych w porównywanych
betonach objętościowo była taka sama. Procentowo wyrażona zawartość frakcji 0÷2 mm
w całej objętości stosu okruchowego, w każdym przypadku wynosiła 35,7%.
W celu uwydatnienia wpływu kruszywa na rozpatrywane właściwości betonów,
zrezygnowano z dodatku pyłów krzemionkowych w badanych betonach, kierując się
w/c, ilością cementu i konsystencją.
3
Jacek Góra, Wojciech Piasta
Ostateczne składy mieszanek betonowych BI i BII ustalono doświadczalnie przy założeniu
klasy konsystencji odpowiadającej tradycyjnej konsystencji półciekłej. Wskaźnik stopnia
ciekłości mieszanek mieścił się w granicach od 7 do 12 cm według metody stożka opadowego, co odpowiada klasom konsystencji S2/S3 zgodnie z PN-EN 206-1 [4]. Zastosowanie
efektywnej domieszki upłynniającej pozwoliło na utrzymywanie właściwości reologicznych mieszanek betonowych przez okres 1-1,5 h. Receptury badanych betonów BI i BII
oraz podstawowe właściwości fizyczne zamieszczono odpowiednio w tablicach 1 i 2.
Tablica 1. Składy mieszanek betonowych BI
oznaczenie betonu
(rodzaj kruszywa grubego)
składniki betonów BI
BI-B
(bazalt)
BI-D
(dolomit)
BI-GR
(granit)
cement, kg/m3
371
371
371
piasek (0÷2 mm), kg/m3
701
701
701
kruszywo grube (2÷4 mm), kg/m3
137
126
118
kruszywo grube (4÷8 mm), kg/m3
409
377
353
kruszywo grube (8÷16 mm), kg/m
819
754
706
woda, dm3/m3
166
166
166
superplastyfikator (0,7% C), kg/m3
2,6
2,6
2,6
(w + wSp)/c = 0,45
3
właściwości fizyczne
gęstość, kg/dm3
2,87
2,74
2,63
gęstość objętościowa, kg/dm3
2,60
2,47
2,40
wskaźnik porowatości, %
9,41
9,85
8,74
nasiąkliwość, %
4,36
4,16
3,94
Tablica 2. Składy mieszanek betonowych BII
oznaczenie betonu
(rodzaj kruszywa grubego)
składniki betonów BII
BII-B
(bazalt)
BII-D
(dolomit)
BII-GR
(granit)
cement, kg/m3
479
479
479
piasek (0÷2 mm), kg/m3
699
699
699
kruszywo grube (2÷4 mm), kg/m3
136
125
117
kruszywo grube (4÷8 mm), kg/m
408
376
356
kruszywo grube (8÷16 mm), kg/m3
817
752
703
woda, dm3/m3
128
128
128
superplastyfikator (2,0% C), kg/m3
9,6
9,6
9,6
(w + wSp)/c = 0,28
3
właściwości fizyczne
gęstość, kg/dm3
2,93
2,79
2,70
gęstość objętościowa, kg/dm3
2,66
2,54
2,46
wskaźnik porowatości, %
9,22
8,96
8,89
nasiąkliwość, %
3,34
3,11
3,19
4
Wpływ kruszyw łamanych na właściwości wytrzymałościowe ...
Z każdej z sześciu mieszanek betonowych wykonano po 6 próbek walcowych
o średnicy 150 mm i wysokości 300 mm oraz 6 próbek kostkowych o długości krawędzi
150 mm. Powierzchnie podstaw próbek walcowych przed badaniem szlifowano w celu
uzyskania ich równoległości. Badania przeprowadzano po 28 dniach dojrzewania próbek
w warunkach laboratoryjnych.
3. Analiza wyników badań właściwości
wytrzymałościowych
Wyniki badań właściwości wytrzymałościowych betonów BI oraz BII, poddano testom
jednoczynnikowej analizy wariancji i najmniejszej istotnej różnicy (NIR) przy poziomie
istotności α = 0,05. Zastosowane testy wnioskowania statystycznego pozwalają ustalić
wpływ określonego czynnika na uzyskane wyniki doświadczalne, a także umożliwiają
ustalenie, pomiędzy którymi średnimi występują statystycznie istotne różnice przy zadanym poziomie istotności [1, 2, 7].
Analizy wariancji wyników badań wytrzymałości walcowej i kostkowej na ściskanie
betonów zwykłych BI (rys. 1) wykazały brak statystycznie istotnych różnic powodowanych
przez kruszywo grube (bazaltowe, dolomitowe i granitowe).
Rys. 1. Średnie wartości wytrzymałości na ściskanie betonów BI określone na próbkach walcowych ∅150/300 oraz kostkowych #150 po 28 dniach twardnienia
Wszystkie trzy betony BI bez względu na rodzaj stosowanego kruszywa, można
uznać jako betony zwykłe klas C45/55, zgodnie z PN-EN 206-1:2003 [4]. Wartości zależ5
Jacek Góra, Wojciech Piasta
ności wytrzymałości walcowych do kostkowych fcm,cyl/ fcm,cube , w badanych betonach BI,
mieściły się w przedziale 0,84-0,89 przy średniej 0,86.
Przeprowadzone dwie (oddzielne) analizy wariancji ujawniły statystycznie istotny
wpływ kruszywa grubego na wytrzymałość walcową i kostkową betonu na ściskanie.
Wśród analizowanych wytrzymałości wykazano, że w obu przypadkach wartości fcm,cyl
i fcm,cube betonu z kruszywa granitowego są istotnie mniejsze niż wytrzymałość betonu
z kruszywa dolomitowego i bazaltowego. Natomiast obie średnie wytrzymałości, kostkowa
i walcowa, analizując każdą z tych wielkości oddzielnie, betonów BII z kruszywem bazaltowym i dolomitowym nie różnią się istotnie przy α = 0,05 (rys. 2). Jednoznacznie statystycznie
niższa wytrzymałość betonu BII-GR jest niewątpliwie związana z odmiennym składem
mineralnym i właściwościami skały, a także kruszywa (2 do 3,5-krotnie wyższy wskaźnik
rozkruszenia granitu niż dolomitu i bazaltu). Należy przypomnieć, że beton zwykły z kruszywem granitowym charakteryzował się nieznacznie wyższą wytrzymałością na ściskanie
od pozostałych betonów (rys. 1). Świadczy to o uwydatnieniu się różnic, wynikających
z odmiennych właściwości kruszyw i skał, dopiero przy wyższych wartościach naprężeń
ściskających w betonach BII. Wraz ze wzrostem wytrzymałości stwardniałego zaczynu
cementowego-matrycy kompozytu poprzez obniżenie w/c do wartości 0,28 (a więc zdecydowanie poniżej 0,38) nastąpiło zmniejszenie porowatości i grubości warstwy kontaktowej
zaczyn-kruszywo. Tym samym ułatwione jest przekazywanie naprężeń pomiędzy matrycą
i wypełniaczem, o czym świadczy przełam zdecydowanej większości ziarn kruszywa grubego na powierzchni pęknięcia próbek. Rozumując w ten sposób, można uznać, że przy
matrycy zależnej tylko od w/c wpływ kruszywa i wytrzymałości strefy kontaktowej ma
znaczenie decydujące o wytrzymałości betonu wysokowartościowego.
Rys. 2. Średnie wartości wytrzymałości na ściskanie betonów BII określone na próbkach walcowych ∅150/300 oraz kostkowych #150 po 28 dniach twardnienia
6
Wpływ kruszyw łamanych na właściwości wytrzymałościowe ...
Wartości wytrzymałości na ściskanie wszystkich betonów BII są zgodne z wymaganiem dotyczącym betonów wysokowartościowych, czyli charakterystyczną wytrzymałością na ściskanie po 28 dniach, wynoszącą co najmniej 60 MPa. Warto podkreślić,
że osiągnięcie wytrzymałości na ściskanie odpowiadającej betonom BWW, okazało się
łatwiejsze przy użyciu kruszywa węglanowego o niskiej porowatości (dolomit zbity), niż
w przypadku stosowania kruszywa granitowego.
Według PN-EN 206-1 [4] na podstawie wartości fc,cyl, betony BII-B oraz BII-D spełniają
wymagania dotyczące klasy C70/85, a BII-GR klasy niższej C60/75. Z kolei, na podstawie
wytrzymałości kostkowych fc,cube, betony z kruszywem bazaltowym i dolomitowym odpowiadają klasie C60/75, a beton z kruszywem granitowym klasie C55/67. Współczynnik
fcm,cyl/ fcm,cube w badanych betonach wysokowartościowych przyjmuje wartości 0,86-0,88
(średnia 0,87), a w normowym oznaczeniu klasy betonu wartość ta wynosi około 0,8 [4,5].
Słuszna jest uwaga [3], że wartości współczynników podane w normach, czy zaleceniach,
nie powinny służyć do przeliczania zmierzonej wytrzymałości jednego rodzaju próbek na
wytrzymałość odpowiadającą próbkom drugiego typu. W normie PN-EN 206-1 [4] jako
podstawę oceny przynależności betonu do klasy podaje się alternatywnie fck,cyl (∅150/300)
lub fck,cube (#150), co nie wprowadza niejednoznaczności w klasyfikacji przy stosowaniu
jednego typu próbek. Teoretycznie możliwa jest jednak sytuacja, tak jak w przypadku
badanych betonów, w której ten sam beton klasyfikowany niezależnie na podstawie wytrzymałości uzyskanych na dwóch różnych typach próbek, może być uznany za beton
dwóch różnych klas.
4. Wnioski
Na podstawie osiągniętych wyników badań nasuwają się następujące uwagi:
• w pełni możliwe jest wykonanie z kruszyw węglanowych betonów wysokiej jakości
– zwykłych i wysokowartościowych,
• z powodu korzystnego oddziaływania fizyko-chemicznego kruszywa węglanowego
na zaczyn cementowy, wytrzymałość BWW (w/c = 0,28) bez pyłu krzemionkowego
była wyższa, niż betonu z kruszywa granitowego,
• wpływ kruszywa grubego na wytrzymałość betonu bez pyłu krzemionkowego, na
ściskanie jest bardziej wyraźny przy niskich wartościach w/c,
• wartość stosunku fcm,cyl/ fcm,cube wzrasta powyżej 0,8 przy niższych wartościach w/c.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Greń J.: Modele i zadania statystyki matematycznej, PWN, Warszawa 1968.
Niedokos E.: Zastosowania rachunku prawdopodobieństwa i statystyki matematycznej, Wydawnictwo
AR, Lublin 1995.
Neville A. M.: Właściwości betonu, Polski Cement, Kraków 2000.
PN-EN 206-1:2003 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
PN-B-03264:2002 Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne i projektowanie.
Roy D. M., Jiong W.: IX ICCC Vol. 6, Poster Session, New Delhi, 1992
Sheskin David J.: Handbook of Parametric and Nonparametric Statistical Procedures, CRC Press
1997.
7