Rodzaje i zastosowania kruszyw

Przesiewacze sortują kruszywo na frakcje (źródło: Powerscreening)

Kruszywa – czyli twarde, sypkie materiały pochodzenia mineralnego, stosowane samodzielnie lub z dodatkiem cementu, wapna czy lepiszczy bitumicznych – są nieodzowne w budownictwie lądowym. Stosuje się je we wszystkich obiektach budowlanych, a w szczególności w drogach, konstrukcjach betonowych i umocnieniach brzegowych. W niniejszym przewodniku przyjrzymy się różnym rodzajom kruszyw i ich zastosowaniom. Omówimy również stosowane coraz częściej kruszywa sztuczne oraz pochodzące z recyklingu.

Korzystając z poniższych łączy, można od razu przejść do wybranego rozdziału:

• Jakie są rodzaje kruszyw?
• Kruszywa naturalne i alternatywne
• Jakie są zastosowania kruszyw?
• Jakie są kryteria klasyfikacji kruszyw?
• Rodzaje kruszyw i ich zastosowania
• Stabilizacja mechaniczna warstw kruszywa

Chcesz pomówić o korzyściach, które możesz uzyskać w swojej inwestycji dzięki rozwiązaniom Tensar? Skontaktuj się z naszym zespołem już dzisiaj.

Jakie są rodzaje kruszyw?

Kruszywa można podzielić na trzy grupy ze względu na pochodzenie: naturalne, sztuczne i pochodzące z recyklingu. Do najczęściej stosowanych materiałów zaliczyć można piaski i żwiry naturalne, kruszywa łamane, kruszywa Typu 1 (do podbudów pomocniczych), destrukt asfaltowy i betonowy, kruszywa Typu 6F2 (z recyklingu). Ogólne specyfikacje dla kruszyw w Wielkiej Brytanii operują pojęciami „Typ 1”, „Typ 6F2”, „Typ 6F5” itp.

Poniżej przedstawiamy szczegółowe informacje o tych kategoriach kruszyw wraz z ich zastosowaniami.

Kruszywa naturalne

Są to kruszywa złożone z okruchów skalnych wydobywanych w kopalniach i kamieniołomach lub pozyskiwane z dna zbiorników i cieków wodnych. Są wykorzystywane w stanie naturalnym lub poddawane obróbce przez kruszenie, płukanie i sortowanie. Do grupy tej zaliczają się piaski, żwiry i kruszywa łamane.

Kruszywa sztuczne

Są one pozyskiwane w procesach przemysłowych, często jako produkt uboczny procesów, w których materiał mineralny poddawany jest obróbce cieplnej lub innemu przetworzeniu. Zaliczają się do nich popioły oraz żużle wielkopiecowe i stalownicze. Niektóre materiały mogą być poddawane wtórnej obróbce – tak jak kruszywa lekkie produkowane z odpadowych popiołów lotnych, spiekanych w wysokich temperaturach w zaokrąglone, twarde ziarna.

Kruszywa z recyklingu

Takie kruszywo powstaje z przetworzenia istniejących materiałów budowlanych. Jako przykłady wymienić można gruz budowlany, używaną podsypkę kolejową czy destrukt asfaltowy z nawierzchni drogowych.

Kruszywa naturalne i alternatywne

W Wielkiej Brytanii kruszywa często dzieli się na dwie kategorie: naturalne (ang. primary) i alternatywne (ang. secondary).

Kruszywa naturalne

Jest to naturalny materiał mineralny wydobyty celowo z myślą o zastosowaniach w budownictwie. Do kategorii tej należą kruszywa takie jak piaski, żwiry i kruszywa łamane wydobyte jako kopaliny.

Kruszywa alternatywne

Do grupy tej zaliczają się kruszywa sztuczne i pochodzące z recyklingu, jak również produkty uboczne innych procesów wydobywczych – na przykład odpady górnicze. Po kruszywa z tej kategorii sięga się coraz częściej ze względu na założenia zrównoważonego rozwoju oraz redukcję wpływu na środowisko.

Jakie są zastosowania kruszywa?

Kruszywa mogą być stosowane samodzielnie lub w połączeniu z innymi materiałami – w tym drugim przypadku są związane przez cement, wapno, asfalt lub żywicę. Ludzkość stosuje kruszywa do kształtowania swojego otoczenia już od epoki brązu. Dzisiejszy sektor budowlany zużywa ogromne ilości kruszywa do budowy m.in. dróg, kolei, mostów czy budynków.

Tensar InterAx wyróżnia się zoptymalizowaną geometrią, zapewniającą lepszy efekt stabilizacji warstwy kruszywa

 

Dolne warstwy nawierzchni

W budownictwie drogowym duże znaczenie mają parametry kruszywa stosowanego w poszczególnych warstwach nawierzchni. Warstwy mrozoochronne/odsączające na gruntach słabonośnych mogą być wykonane z kruszyw niższej jakości. Z kolei w podbudowie pomocniczej stosuje się lepsze kruszywo, dobrane tak, aby zapewnić pożądaną nośność dolnych warstw nawierzchni. W niektórych przypadkach z kruszywa wykonuje się również podbudowę zasadniczą – wówczas wysokiej jakości kruszywo o starannie dobranym uziarnieniu zapewnia oparcie wyżej położonym warstwom nawierzchni.

Nawierzchnie kolejowe

W nawierzchniach kolejowych stosuje się różne rodzaje kruszywa celem zapewnienia nośnego podtorza. Projekty nawierzchni podsypkowych mogą uwzględniać zastosowanie warstwy piasku, aby ograniczyć zjawisko pompowania wody. Warstwa ochronna podtorza zwykle wykonywana jest z odpowiednio uziarnionego kruszywa, a ze względu na rolę porównać ją można do podbudowy pomocniczej w nawierzchni drogowej. Sama podsypka, wykonana z tłucznia jednej frakcji, zapewnia oparcie dla podkładów i przenosi obciążenia na niżej położone warstwy. Więcej informacji znajdą Państwo na naszej stronie poświęconej nawierzchniom kolejowym.

Mieszanki mineralno-asfaltowe

Mieszanki mineralno-asfaltowe to powszechnie znany (nieraz potocznie nazywany „asfaltem”) materiał, zapewniający równość i trwałość dróg, którymi jeździmy .

Mieszanki mineralno-asfaltowe, których nie należy mylić z tłuczniem smołowanym, składają się zasadniczo z kruszywa związanego asfaltem (lepiszczem bitumicznym). Możliwe jest oczywiście dodanie różnych innych składników, modyfikujących i poprawiających właściwości mieszanki.

Beton

Beton znany był w budownictwie już około roku 6500 p.n.e. W betonie ziarna kruszywa związane przez zaczyn cementowy tworzą materiał przypominający skałę. Współczesne betony, najczęściej wytwarzane z użyciem cementu portlandzkiego, mogą mieć ekstremalnie wysokie wytrzymałości na ściskanie. Zazwyczaj składają się one w 60%-80% (masowo) z kruszywa.

Beton zbrojony, w którym pręty stalowe zapewniają niezbędną wytrzymałość na rozciąganie, stanowi dziś podstawę funkcjonowania całego przemysłu budowlanego. Stosuje się go w fundamentach, tunelach, odwodnieniach, budynkach, zaporach i mostach. Można powiedzieć, że w niemal każdej inwestycji budowlanej stosuje się gdzieś beton. Do jego produkcji potrzebne są kruszywa łamane wysokiej jakości.

Drenaż

Kruszywa o ograniczonej zawartości frakcji drobnych wykazują nawet po zagęszczeniu dużą zawartość połączonych wolnych przestrzeni. Pozwala to na swobodny przepływ wody przez warstwę kruszywa, przyczyniając się do właściwego odwodnienia, które jest kluczowe w budownictwie. Warstwy drenażowe z kruszywa zapewniają niezbędne ścieżki przepływu dla wody i innych cieczy. Zlokalizowane wzdłuż dróg i torowisk rowy, wypełnione kruszywem o odpowiednio dobranym uziarnieniu pozwalają na ograniczenie wysokości zwierciadła wody gruntowej i odprowadzenie wód opadowych.

Kruszywa odgrywają bardzo istotną rolę w regulowaniu odpływu wód opadowych w zrównoważonych systemach odwadniających (SUDS), jak również w odprowadzaniu odcieków ze składowisk. Aby zapewnić niezmienną przepustowość drenażu i aby zabezpieczyć kruszywo przed zanieczyszczeniem, na granicy gruntu i kruszywa często stosuje się warstwę geowłókniny.

Jakie są kryteria klasyfikacji kruszywa?

Podobnie jak wszystkie materiały budowlane, kruszywa muszą być odpowiednio sklasyfikowane, aby wykazywały właściwości pożądane w konkretnych funkcjach i zastosowaniach. Najczęściej klasyfikacja kruszyw obejmuje pochodzenie materiału, kształt ziaren, wielkość ziaren oraz gęstość.

Pochodzenie

W kontekście pochodzenia materiału źródłowego kruszywa można zaklasyfikować jako naturalne (ang. primary) lub alternatywne (ang. secondary). W poniższej tabeli podsumowano podział kruszyw ze względu na pochodzenie, uwzględniając podkategorie.

Tabela 1 – Klasyfikacja kruszyw budowlanych ze względu na pochodzenie

Kształt

Kształt ziaren kruszywa ma wpływ na ich współpracę oraz zagęszczenie pod obciążeniem. Ziarna o ostrych krawędziach, charakterystyczne dla kruszywa łamanego, będą zazębiać się lepiej i osiągną wyższą wytrzymałość na ścinanie niż ziarna zaokrąglone, między którymi łatwiej dochodzi do poślizgu. W przypadku drenażu bardziej korzystne będą kruszywa o ziarnach zaokrąglonych, takie jak otoczaki, w których zawartość wolnych przestrzeni (pustek między ziarnami) jest większa niż w dobrze zazębionych ziarnach o ostrych krawędziach. W betonie ziarna bardziej zaokrąglone zapewniają lepszą urabialność, zaś ziarna o ostrzejszych krawędziach zapewniają wyższą wytrzymałość.

Gęstość

Gęstość kruszywa ma bezpośrednie przełożenie na ciężar uzyskanej warstwy lub budowli ziemnej. W niektórych zastosowaniach kruszywa lekkie są bardziej pożądane. Na przykład w przypadku budowli ziemnych posadowionych na gruntach słabonośnych możliwe jest ich uszkodzenie ze względu na utratę nośności podłoża. Zastosowanie kruszywa lekkiego zmniejsza nacisk na podłoże i ogranicza ryzyko utraty nośności. Na tej samej zasadzie możliwe jest istotne zredukowanie osiadań budowli ziemnej. Kruszywa lekkie są z powodzeniem stosowane jako materiał zasypowy w ścianach z gruntu zbrojonego TensarTech celem ograniczenia osiadań i poprawy właściwości eksploatacyjnych konstrukcji.

Budowa kładki nad drogą A47 w Longthorpe. Konstrukcja systemowa TensarTech umożliwiła zastosowanie lekkiego materiału zasypowego oraz połączenie skomplikowanych elementów geometrycznych, dzięki czemu wykonano rampę dla wózków na bardzo ograniczonej przestrzeni.

Rozmiar ziarna

Rozmiar ziarna oraz uziarnienie (udział każdej z frakcji) mają bardzo duży wpływ na wytrzymałość na ścinanie, zagęszczalność i wodoprzepuszczalność kruszywa. Dlatego też w inwestycjach drogowych specyfikuje się wymagania dotyczące uziarnienia kruszyw do poszczególnych warstw, stosując górne i dolne krzywe graniczne.

Beton

Uziarnienia kruszyw stosowanych w mieszankach betonowych są zróżnicowane, ale zazwyczaj kruszywa takie składają się z mieszanki kruszywa drobnego (<4,75 mm) i grubego (zwykle od 9,5 mm do 37,5 mm). W betonie zbrojonym zazwyczaj stosuje się kruszywa grube o rozmiarze ziarna do 20 mm, a w betonie masowym – do 40 mm.

Podbudowy pomocnicze nawierzchni drogowych

Podbudowa pomocnicza powinna być dobrze zagęszczona i wykazywać wysoką wytrzymałość na ścinanie. Uziarnienie mieszanki mineralnej jest podporządkowane pożądanemu zagęszczeniu i wytrzymałości na ścinanie. Zwykle rozmiary ziaren mieszczą się w zakresie od 1 mm do 31,5 mm, z bardzo niewielką dopuszczalną zawartością cząstek ilastych i pylastych (<0,063 mm).

Rodzaje kruszyw i ich zastosowania

Zrozumienie charakteru i konkretnych zastosowań poszczególnych rodzajów kruszywa jest kluczowe dla skutecznej realizacji inwestycji budowlanych. W niniejszym rozdziale omówimy właściwości i zastosowania różnych kruszyw.

Piasek

Piasek można wydobywać odkrywkowo lub z dna zbiorników i cieków wodnych. Materiał ten jest produktem wietrzenia i erozji skał. Jego złoża odkładają się pod wpływem działania wiatru, lodowców czy rzek. Większość ziaren piasku stanowią twarde okruchy bogate w krzemionkę. Złoża tego surowca można podzielić na dwie kategorie:

• Złoża powierzchniowe - Są to stosunkowo młode złoża, utworzone przez rzeki w ciągu ostatnich dwóch milionów lat, zlokalizowane w dolinach rzek lub na wyżej położonych terasach. Złoża te są przeważnie czyste, z niską zawartością pyłów i iłów. Złoża wodnolodowcowe mogą zawierać więcej cząstek drobnych.
• Złoża głębokie - Pochodzące ze starszych formacji, od permu do paleogenu, wykazują odmienne właściwości niż młodsze złoża.

Przesiewanie piasku – podział na frakcje (źródło: Centristic)

Zastosowania piasku

W zastosowaniach budowlanych piaski dzieli się raczej ze względu na rozmiar ziaren niż na skład mineralny:

Tabela 2 – Zakres wielkości ziaren piasku

Piaski stanowią nieodzowny składnik mieszanek betonowych i zapraw cementowych. Stosuje się je często również w warstwach filtracyjnych, podsypkach pod kostkę brukową czy niektórych mieszankach mineralno-asfaltowych.

Żwir naturalny

Żwir, podobnie jak piasek, składa się z okruchów skalnych i wydobywany jest odkrywkowo lub z dna zbiorników i cieków wodnych. Do jego źródeł zaliczyć można:

• Złoża powierzchniowe - Zlokalizowane w dolinach i dawnych korytach rzek. Żwiry te zazwyczaj wykazują niską zawartość pyłów i iłów. Złoża polodowcowe mogą zawierać więcej cząstek drobnych.
• Złoża głębokie - Występują w formie pokładów, zwykle są słabo zagęszczone i łatwe do wydobycia
• Złoża morskie - Utworzone przez rzeki i lodowce, lecz później przykryte przez wody morskie w związku ze wzrostem poziomu mórz wywołanym topnieniem lądolodów

Zastosowania żwirów naturalnych

Żwir ze względu na rozmiar ziaren dzieli się na drobny, średni i gruby.

Tabela 3 – Zakresy frakcji żwiru

Żwiry naturalne mogą być stosowane jako materiał zasypowy w różnych konstrukcjach mających kontakt z gruntem czy jako materiał do warstw mrozochronnych/odsączających w dolnych warstwach nawierzchni drogowych. Po płukaniu i przesianiu żwiry naturalne mogą być stosowane w mieszankach betonowych lub elementach drenażowych. Po przekruszeniu i przesianiu mogą być stosowane w podbudowach pomocniczych nawierzchni drogowych.

Kruszywo łamane

Mechaniczna obróbka większych brył skalnych to obecnie najpowszechniejsze źródło kruszywa naturalnego w Wielkiej Brytanii. Po wydobyciu skały są przełamywane i przesiewane według rozmiaru uzyskanych ziaren. Różne frakcje mogą być łączone w pożądanych proporcjach, zgodnie z wymaganiami dla poszczególnych zastosowań. Jeden zakład wydobywczy może zatem produkować kruszywa przydatne do zastosowań w betonach, podbudowach, mieszankach mineralno-asfaltowych, warstwach drenażowych itd.

Zastosowania kruszywa łamanego

Wysoka wytrzymałość i ostre krawędzie ziaren sprawiają, że kruszywa łamane są idealnym materiałem do betonów wysokowytrzymałych, drogowych podbudów pomocniczych, podsypek kolejowych, mieszanek mineralno-asfaltowych czy powierzchniowych utrwaleń.

Kruszywo Typu 1

W Wielkiej Brytanii terminem bardzo często przywoływanym w specyfikacjach jest „kruszywo Typu 1”. Jest to szeroko znany i powszechnie dostępny rodzaj mieszanki mineralnej, określony szczegółowo w specyfikacji zawartej w brytyjskiej instrukcji „Manual of Contract Documents for Highway Works – Volume 1, Specification for Highway Works. Series 800”. Krzywa uziarnienia jest gładka i szeroka, z maksymalnym rozmiarem ziaren wynoszącym 63 mm oraz z 99% materiału przechodzącego przez sito 31,5mm. Zawartość cząstek pylastych i ilastych ograniczona jest do maksimum wynoszącego 9%. Charakter krzywej uziarnienia gwarantuje dobre upakowanie ziaren po zagęszczeniu.

Zastosowania kruszywa Typu 1

Kruszywo Typu 1 to materiał wysokiej jakości. Stosowany jest w celu zapewnienia dobrej nośności dolnych warstw nawierzchni drogowych. Może być również specyfikowany w przypadku platform roboczych i dróg dojazdowych o nawierzchniach nieulepszonych.

                                       

Rysunek 1 – Kruszywo Typu 1                   Rysunek 2 – Kruszywo Typu 6F2 (z recyklingu)                                                                                             

Destrukt asfaltowy

W ramach remontów nawierzchni często dokonuje się frezowania górnych warstw asfaltowych przed rozłożeniem nowej mieszanki. Frezowanie jest dobrym źródłem kruszywa.

Destrukt pozyskany podczas wymiany górnych warstw nawierzchni to wartościowy surowiec (źródło: MGL Group)

Zastosowania destruktu asfaltowego

Destrukt asfaltowy jest przydatny do użycia w produkcji nowych mieszanek mineralno-asfaltowych – w takim przypadku w wytwórni część nowego kruszywa jest zastępowana destruktem. Destrukt asfaltowy może być również stosowany w podbudowach pomocniczych nawierzchni drogowych. Wspomniany brytyjski dokument „Specification for Highway Works” uwzględnia specyfikację kruszyw Typu 4 (destruktu asfaltowego) do niezwiązanych warstw nawierzchni.

Destrukt betonowy

Gruz betonowy z wyburzeń może zostać przekruszony, posegregowany na frakcje, a następnie zmieszany w pożądanych proporcjach.

Zastosowania destruktu betonowego

Kruszywo powstałe z przekruszenia betonu może być stosowane jako alternatywa dla kruszyw łamanych w betonie oraz w niezwiązanych warstwach nawierzchni drogowych. Może być również stosowane w mieszankach mineralno-asfaltowych, choć w tym przypadku osiągnięcie jednorodnych właściwości może okazać się problematyczne ze względu na zmienność materiału źródłowego.

Kruszywa Typu 6F2 oraz 6F5

Typy 6F2 i 6F5 odnoszą się do wybranych materiałów sypkich (zawierających kruszywa z recyklingu) zdefiniowanych w brytyjskiej instrukcji „Manual of Contract Documents for Highway Works – Volume 1, Specification for Highway Works (Series 600)”. Różnice między tymi dwoma typami kruszywa można podsumować następująco:

• Kruszywo Typu 6F2 cskłada się z przekruszonego gruzu – w tym betonu, cegieł i zapraw – o maksymalnym rozmiarze ziarna wynoszącym 125 mm, przy co najmniej 80% materiału przechodzącego przez sito 90 mm. Krzywa uziarnienia, określona w Tabeli 6/2 dokumentu Series 600, jest badana zgodnie z normą BS 1377-2. Materiał tego rodzaju dowożony spoza placu budowy klasyfikowany jest jako Typ 6F5.
• Kruszywo Typu 6F5 to wybrany materiał zasypowy dowożony spoza placu budowy, o krzywej uziarnienia zbliżonej do Typu 6F2, lecz zdefiniowanej w Tabeli 6/5 dokumentu Series 600 i zbadanej wg BS EN 13285. W jego skład mogą wchodzić kruszywa naturalne, destrukt betonowy, okruchy cegieł, popioły denne ze spalarni, żużel i odpady górnicze.

Zastosowanie kruszyw Typu 6F2 oraz 6F5

Kruszywa obu typów są powszechnie używane jako materiał zasypowy w platformach roboczych pod palownice, żurawie i podobny ciężki sprzęt. Mogą być również stosowane w warstwach mrozoochronych nawierzchni drogowych na słabszych podłożach, częściowo zastępując bardziej kosztowne kruszywa do podbudów pomocniczych.

Stabilizacja mechaniczna warstw kruszywa

Jak już wspomnieliśmy, warstwy zagęszczonego kruszywa stosowane są w dolnych warstwach większości nawierzchni drogowych oraz w górnych warstwach dróg dojazdowych. Dobrze zagęszczone kruszywo rozkłada obciążenia i zmniejsza nacisk na podłoże. Wytrzymałość i sztywność warstwy kruszywa można zwiększyć, stosując georuszt przeznaczony do stabilizacji, na przykład georuszt Tensar InterAx..

Warstwa kruszywa stabilizowanego mechanicznie z zastosowaniem georusztu Tensar InterAx

Ziarna kruszywa zazębiają się z georusztem. i doznają skrępowania bocznego w jego oczkach. Skrępowanie ziaren zapobiega ich przesunięciom i obrotom, stabilizując kruszywo i zwiększając jego wytrzymałość na ścinanie. To z kolei zwiększa nośność warstwy. Powstaje w ten sposób warstwa kruszywa stabilizowanego georusztem.

Chcesz omówić korzyści, które możesz uzyskać dzięki rozwiązaniom Tensar w Twojej inwestycji? Skontaktuj się z nami już dzisiaj.