Właściwości mechaniczne wybranych kruszyw krajowych

Właściwości mechaniczne wybranych kruszyw krajowych

Mechanical properties of the particular local aggregates

Streszczenie

W referacie przedstawiono wyniki badań kruszyw z wybranych złóż krajowych w zakresie  odporności na polerowanie (PSV), odporności na rozdrabnianie (LA) oraz odporności na  ścieranie (M_DE). Badaniom poddano kruszywo pochodzące z przekruszeniu otoczaków  polodowcowych pochodzących z północnej części kraju, kruszywa pochodzące z prze- kruszenia skał litych: węglanowych, magmowych – głębinowych i wulkanicznych oraz ze  skał metamorficznych. Ponadto, podano ogólną charakterystykę petrograficzną badanych  surowców. Celem przeprowadzonych badań była próba określenia zależności pomiędzy  badanymi parametrami fizyko-mechanicznych, w powiązaniu z opisem petrograficznym  badanych kruszyw. Uzyskane wyniki wykazały, że pomiędzy odpornością na ścieranie,  a polerowalnością nie występuje żadna korelacja, podobnie jak w przypadku korelacji  pomiędzy odpornością na rozdrabnianie a polerowalnością. Natomiast pomiędzy wyni- kami odporności na rozdrabnianie i ścieralności mikro-Devala pomimo braku wyraźnej  korelacji, widoczna jest zależność obniżenia odporności na ścieranie (wysokie wartości  M_DE) dla kruszyw o mniejszej odporności na rozdrabnianie (wysokie wartości LA).

Abstract

This paper presents the findings of the aggregates tests from the particular local deposits  in terms of the resistance to polishing (PSV), resistance to fragmentation (LA) and resi- stance to wear (M_DE). The aggregates from crushed stones from glacial gravels of northern 

Zdzisław Naziemiec Ewelina Pabiś-Mazgaj

dr inż. Marzena Najduchowska – Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Szkła i Materiałów Budowlanych w Krakowie

dr inż. Zdzisław Naziemiec – Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Szkła i Materiałów Budowlanych w Krakowie

mgr inż. Ewelina Pabiś-Mazgaj – Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Szkła i Materiałów Budowlanych w Krakowie

Poland and aggregates from calcareous (sedimentary rocks), igneous (hypogenetic and  effusive rocks) and metamorphic rocks were tested. Furthermore, the paper covers the  general petrographic description of those aggregates. The purpose of the research was to  determine the relationship between the particular physical and mechanical properties and  the petrographic characteristics of those aggregates. The results have shown that there is  no correlation between the resistance to wear (M_DE) and the resistance to polishing (PSV),  as well as between resistance to fragmentation (LA) and the resistance to polishing (PSV). 

However, besides the fact that there is no distinctive correlation between the resistance  to fragmentation (LA) and resistance to wear (M_DE) there is dependence of the decrease of  resistance to wear (aggregates with high M_DE value) for aggregates with lower resistance  to fragmentation (aggregates with high LA value).

1. Wstęp

W zależności od przewidywanego przeznaczenia projektowanego betonu, do jego pro- dukcji należy dobierać kruszywo o określonych właściwościach, tak aby beton spełniał  oczekiwane wymagania. W przypadku betonów konstrukcyjnych o wysokiej wytrzymało- ści, spośród właściwości fizyko-mechanicznych kruszywa bardzo istotny jest parametr od- porności na rozdrabnianie, natomiast w przypadku betonów stosowanych do nawierzchni  betonowych dodatkowo ważne są parametry odporności na ścieranie i polerowanie.

W technologii budowy nawierzchni drogowych odpowiedni dobór kruszyw jest jed- nym z istotniejszych czynników, który w późniejszym czasie może kształtować parametry  jakościowe warstw nawierzchni drogowych. Podczas doboru kruszywa do nawierzchni  drogowych,  oprócz  parametrów  fizyko-mechanicznych  należy  brać  pod  uwagę  jego  uziarnienie, oraz charakterystykę petrograficzną. Na właściwości mechaniczne kruszywa  ma istotny wpływ sposób przeróbki surowca, aczkolwiek w przypadku odporności na  polerowanie (PSV) kluczową rolę odgrywa głównie ich charakter petrograficzny.

W  referacie  przedstawiono  wyniki  badań  kruszyw  z  wybranych  krajowych  złóż  w zakresie odporności na polerowanie (PSV), odporności na rozdrabnianie (LA) oraz  odporność na ścieranie (M_DE). Badaniom poddano kruszywo z przekruszeniu otoczaków  polodowcowych pochodzących z północnej części kraju, kruszywa pochodzące z prze- kruszenia skał litych: węglanowych, magmowych – głębinowych i wulkanicznych oraz ze  skał metamorficznych. Ponadto, podano ogólną charakterystykę petrograficzną badanych  surowców. W referacie podjęto próbę określenia zależności pomiędzy badanymi para- metrami fizyko-mechanicznych kruszyw, w powiązaniu z ich opisem petrograficznym.

2. Odporność na polerowanie

Od 2008 roku producenci kruszyw zobowiązani są do oceny odporności na polerowanie  kruszyw stosowanych do warstwy ścieralnej z betonu asfaltowego, z mieszanki SMA  i BBTM oraz asfaltu lanego. Obowiązek ten narzucają wymagania techniczne WT-1, zgod- nie z którymi na drogi obciążone ruchem kategorii KR1÷KR2 należy stosować kruszywa  grube o wskaźniku PSV co najmniej PSV₄₄, KR3÷KR4 o wskaźniku PSVDeklarowana nie mniej niż  48, natomiast KR5÷KR6 co najmniej PSV₅₀ [1]. W przypadku kruszyw grubych stosowanych  do dolnej i górnej warstwy z asfaltu porowatego na drogi obciążone ruchem kategorii  KR 3÷KR7 wymagana jest wartość PSV co najmniej 50, natomiast do powierzchniowych  utrwaleń dla KR1÷KR2 co najmniej PSV₄₄ a KR3÷KR4 co najmniej PSV₅₀.

Kluczowym zagadnieniem w aspekcie odporności na poślizg nawierzchni drogowej  jest siła tarcia wytworzona pomiędzy powierzchnią drogi, a oponą pojazdu w warunkach  mokrych. W każdym z rozpatrywanych przypadków wielkość tarcia zależy zarówno od  właściwości powierzchni drogi, jak i opony pojazdu oraz warunków klimatycznych. Czyn- nikiem nadrzędnym kształtującym odporność na poślizg jest mikrostruktura materiałów  wbudowanych w nawierzchnię, która jest w kontakcie z oponą pojazdu [2].

W  wyniku  ciągłego  obciążenia  ruchem  drogowym  odporność  na  poślizg  ulega  pogorszeniu na skutek procesu polerowania mikrostruktury nawierzchni przez opony  samochodów. Zjawisko to zachodzi cały czas w związku z eksploatacją nawierzchni jezdni.

Zimą mamy do czynienia częściej z wilgotnymi warunkami pogodowymi, pojawia- jący się mróz, stosowanie środków odladzających stwarza warunki abrazyjne na jezdni,  w wyniku czego pierwotnie wypolerowana mikrotekstura staje się ponownie szorstka. 

W konsekwencji odporność na poślizg nawierzchni jezdni wykazuje pewną sezonowość. 

Wraz z upływem czasu zimowy okres „regeneracji” nawierzchni drogowej może być  niewystarczający do zachowania odpowiedniej odporności na poślizg, stąd też odporność  na polerowanie zastosowanych kruszyw jest bardzo ważnym aspektem [2].

Ponadto, uważa się, że odporność kruszywa na polerowaniu zależy w dużej mierze  od jego charakteru petrograficznego. Szczególne znaczenie ma:

•  Skład mineralny i twardość poszczególnych ziaren w kruszywie,

•  Zróżnicowanie twardości minerałów budujących poszczególne ziarna kruszywa,

•  Porowatość – mikrotekstura zapewniana jest dzięki tworzącym się krawędziom w wy- niku otwierania porów,

•  Rozmieszczenie poszczególnych ziaren i ich przyczepność.

Wskaźnik PSV określany zgodnie z normą PN-EN 1097-8 [3] jest miarą odporności  kruszywa grubego na polerujące działanie opony pojazdów w zbliżonych warunkach  ruchu  samochodowego.  Innymi  słowy  parametr  ten  określa  odporność  kruszywa  na  czynniki polerujące jakimi w warunkach rzeczywistego ruchu samochodowego są woda  oraz drobne cząsteczki mineralne, które pod działaniem opony samochodowej polerują  powierzchnię wystających ziaren kruszywa, co skutkuje śliskością nawierzchni drogowych  [4, 5]. Wprowadzenie kryteriów w zakresie zastosowania kruszywa grubego w mieszan- kach mineralno-asfaltowych do nawierzchni drogowych i powierzchniowych utrwaleń  z uwagi na parametr PSV ma na celu podniesienie bezpieczeństwa ruchu drogowego,  poprzez wykluczenie stosowania kruszyw niespełniających wymagań w tym zakresie.

3. Odporność na rozdrabnianie kruszywa grubego

Podstawowym  parametrem  charakteryzującym  wytrzymałość  mechaniczną  kruszywa  jest jego odporność na rozdrabnianie. W betonach narażonych na duże obciążenia mecha- niczne, np. w przypadku betonu drogowego czy mostowego, należy stosować kruszywa  o wysokiej odporności na rozdrabnianie, czyli o niskim współczynniku LA. Badanie pro- wadzi się według normy PN-EN 1097-2 [6]. Do obrotowego bębna podaje się kruszywo  o odpowiednim składzie ziarnowym, razem z odpowiednim ładunkiem kul stalowych. 

Bęben z kulami i kruszywem wykonuje określoną ilość obrotów, po czy oznacza się ilość  materiału, który uległ rozdrobnieniu do wymiarów ziaren poniżej 1,6 mm. Procentowy  udział frakcji < 1,6 mm jest miarą odporności na rozdrabnianie.

Z przeprowadzonych w ICiMB OSIMB w Krakowie badań odporności na rozdrabnia- nie różnych krajowych kruszyw wynika, że odporność na rozdrabnianie przebadanych  kruszyw zależy głównie od rodzaju skały, ale też od sposobu jej przeróbki. Okazuje się,  że na wynik odporności duży wpływ ma kształt ziaren kruszyw mineralnych. Kruszywa  zawierające znaczną ilość ziaren nieforemnych łatwiej ulegają rozdrobnieniu niż kruszywa  o kształcie foremnym. Stąd też, w procesach przeróbki często stosowane są tzw. kubizery,  czyli kruszarki (np. udarowe z wałem pionowym), których zadaniem jest poprawa kształtu  ziaren. Uzyskowi foremnego kształtu kruszywa towarzyszy jednak powstawanie pewnej  ilości frakcji najdrobniejszej, co jest zjawiskiem niekorzystnym.

Przeprowadzone  badania  wskazują  na  stosunkowo  dobre  wyniki  odporności  na  rozdrabnianie dla żwirów łamanych i kruszyw ze skał osadowych zwięzłych (wapieni  i dolomitów). Natomiast kruszywa granitowe wykazały niską odporność na rozdrabnianie,  co może wynikać z ich grubokrystalicznej budowy.

W  wymaganiach  technicznych  WT-1  [1]  wyspecyfikowano  również  wymagane  parametry odporności na rozdrabnianie LA, w zależności od kategorii drogi i miejsca  wbudowania kruszywa grubego:

•  do podbudowy z betonu asfaltowego: dla KR1÷KR2 kategoria nie wyższa niż LA₅₀; KR3÷KR7 – LA₄₀,

•  do  warstwy  wiążącej,  wyrównawczej  i  wzmacniającej  z  betonu  asfaltowego:  dla  KR1÷KR2  kategoria odporności na  rozdrabnianie nie  wyższa  niż  LA₄₀;  KR3÷KR7  –  kategoria nie wyższa niż LA_30,

•  do warstwy ścieralnej z betonu asfaltowego: dla KR1÷KR4 kategoria nie wyższa niż  LA₃₀; KR5÷KR6 – LA₂₅,

•  do warstwy ścieralnej z mieszanki SMA i BBTM: dla KR1÷KR4 kategoria nie wyższa  niż LA₃₀; KR5÷KR7 LA₂₅, 

•  do warstwy wiążącej i ścieralnej z asfaltu lanego: dla KR1÷KR4 kategoria nie wyższa  niż LA₃₀; KR5÷KR7 – LA₂₅,

•  do warstwy wiążącej i ścieralnej z asfaltu porowatego: dla KR1÷KR7 kategoria nie  wyższa niż LA₂₀, 

•  do powierzchniowych utrwaleń: dla KR1÷KR2 kategoria nie wyższa niż LA₂₅; KR3÷KR4  – LA₂₀.

4. Odporność na ścieranie M

W przypadku betonów narażonych na ścieranie zaleca się stosowanie kruszywa o wysokiej  odporności na ścieranie, czyli o niskim współczynniku mikro-Devala.

Badanie odporności na ścieranie (mikro-Deval) przeprowadza się zgodnie z normą  PN-EN 1097-1 [7]. Badanie polega na oznaczeniu procentowego ubytku masy kruszywa,  które uległo procesowi ścierania do wymiarów ziaren mniejszych od 1,6 mm. Badanie  prowadzi się w bębnie stalowym, do którego wprowadza się kruszywo, wodę i odpo- wiedni ładunek drobnych kul stalowych. Po wykonaniu określonej ilości obrotów bębna,  wyjmuje się badane kruszywo, określa masę kruszywa m, o uziarnieniu powyżej 1,6 mm  i oblicza ubytek masy kruszywa. Dla kruszyw o uziarnieniu z zakresu 4–16 mm ilość  obrotów bębna wynosi 10 000, a masa próbki do badania 2×500 g. Współczynnik mikro- -Devala oblicza się z wzoru:

W specyfikacjach technicznych z dziedziny budownictwa drogowego rzadko kiedy  podawane jest wymaganie dotyczące odporności na ścieranie. Parametr ten jednak dobrze  charakteryzuje właściwości mechaniczne kruszywa.

5. Metody badań

Program  badawczy  obejmował  badania  właściwości  fizyko-mechanicznych  próbek  kruszywa takich jak: odporności na polerowanie (PSV) wg PN EN 1097-8, odporności  na rozdrabnianie(LA) wg PN EN 1097-2 oraz odporności na ścieranie (M_DE) wg PN EN  1097-1 ja również opis petrograficzny wg PN EN 932-3 [8].

Przykład  aparatury  wykorzystanej  do  wykonania  ww.  oznaczeń  przedstawiają  fotografie 1–4.

Próbki przed badaniem wymagały odpowiedniego przygotowania w zakresie płuka- nia, suszenia oraz wysiania odpowiednich frakcji, zgodnie z wymaganiami normowymi.

W przypadku badania odporności na polerowanie (PSV), z wysianej frakcji kruszywa  wykonuje są odpowiednie preparaty. Na fotografii 5 zamieszczono przykładowe zdjęcia  wykonanych preparatów. Preparatyka w zakresie oznaczeni odporności na polerowanie  (PSV) przysparza wiele problemów i trudności. Nieodpowiednia preparatyka, w szcze- gólności w przypadku próbek kruszyw różnorodnych petrograficznie (m.in. kruszywa  łamane polodowcowe) jest przyczyną uzyskiwania błędnych wyników. Przygotowując  próbkę należy zachować jej reprezentatywność poprzez losowy wybór ziaren.

Fot. 1. Maszyna do przyśpieszonego polerowania wg PN EN 1097-8

Fot. 2. Przyrząd do badania tarcia wg PN EN 1097-8

Fot. 3. Przyrząd do badania odporności na rozdrabnianie (bęben Los Angeles) wg PN EN 1097-2

Fot. 4. Przyrząd do badania odporności na ścieranie (mikro-Deval) wg PN EN 1097-1

Fot. 5. Widok wybranych próbek do badania odporności na polerowanie PSV wg PN EN 1097-8

6. Materiały do badań

Materiał badawczy stanowiło kruszywo pochodzące z przekruszenia otoczaków polodow- cowych (fot. 6) oraz skał litych (fot. 7) z różnych części Polski. Materiał był różnorodny  pod względem petrograficznym i teksturalno-strukturalnym. Wykaz badanych próbek  kruszywa wraz z ogólną charakterystyką petrograficzną przedstawiono w tabelach 1 i 2.

Fot. 6. Widok wybranego kruszywa pochodzącego z przekruszenia otoczaków polodowcowych (kruszywo polimiktyczne pochodzące z północno-wschodniej Polski)

Fot. 7. Widok wybranego kruszywa pochodzącego z przekruszenia skały litej (granit z regionu południowy-wschód Polski)

Tabela 1. Ogólna charakterystyka petrograficzna kruszyw pochodzących z przekruszeniu  otoczaków polodowcowych

Region

Polski Rodzaj

kruszywa Oznaczenie Ogólna charakterystyka petrograficzna

Północny wschód

Kruszywo  łamane z otoczaków 

polodowco- wych

Próbka 1

Kruszywo łamane polimiktyczne, z przewagą  magmowych czerwonych granitów o strukturze  średniokrystalicznej oraz porfirowej.

Ogólny skład petrograficzny:

– Utwory magmowe 74%,

– Piaskowce (drobnoziarnisty) + kwarcyty 16%, – Utwory węglanowe 5%,

– Gnejsy 5%.

Próbka 2

Kruszywo łamane polimiktyczne,

z przewagą magmowych czerwonych granitów o strukturze średniokrystalicznej 

Ogólny skład petrograficzny:

– Utwory magmowe 52%,

– Piaskowce (drobnoziarnisty) + kwarcyty 25%, – Utwory węglanowe 14%,

– Gnejsy 5%,

– Krzemienie i czerty 1%, – Opoka 3%.

Północny wschód

Kruszywo  łamane z otoczaków 

polodowco- wych

Próbka 4

Kruszywo łamane polimiktyczne

z przewagą magmowych czerwonych granitów o strukturze średniokrystalicznej oraz drobno- ziarnisty piaskowiec

Ogólny skład petrograficzny:

– Utwory magmowe 50%,

– Piaskowce (drobnoziarnisty) + kwarcyty 27%, – Utwory węglanowe 13%,

– Gnejsy 1%, – Bazaltoidy 3%, – Krzemienie 4%.

Tabela 1. Cd. Ogólna charakterystyka petrograficzna kruszyw pochodzących z przekru- szeniu otoczaków polodowcowych

Północny zachód

Kruszywo  łamane z otoczaków 

polodowco- wych

Próbka 4

Kruszywo łamane polimiktyczne

z przewagą magmowych czerwonych granitów o strukturze średniokrystalicznej oraz drobno- ziarnistego piaskowca.

Ogólny skład petrograficzny:

– Utwory magmowe+ metamorficzne 48%, – Piaskowce (drobnoziarnisty) + kwarcyty 30%, – Utwory węglanowe 13%,

– Bazaltoidy 3%, – Krzemienie 2%,

– Inne utwory krzemionkowe 4%.

Próbka 5

Kruszywo łamane polimiktyczne

z przewagą magmowych czerwonych granitów o strukturze średniokrystalicznej. Znaczący  udział utworów węglanowych w postaci głów- nie wapienia mikrytowego.

Ogólny skład petrograficzny:

– Utwory magmowe 43%,

– Piaskowce (drobnoziarnisty) + kwarcyt 23%, – Utwory węglanowe 27%,

– Bazaltoidy 2%, – Gnejsy 4%,

– Inne utwory krzemionkowe 1%.

Południowy  wschód

Kruszywo  z przekrusze- nia otoczaków 

pochodzenia  rzecznego

Próbka 6

Kruszywo łamane pochodzące w 90%

z przekruszenia piaskowca o strukturze od  drobnoziarnistej do bardzo drobnoziarnistej. 

Około 10% stanowią utwory magmowe granity  o strukturze średniokrystalicznej.

Tabela 2. Ogólna charakterystyka petrograficzna kruszyw pochodzących z przekruszenia  skał litych

Region

Polski Rodzaj kruszywa Ogólna charakterystyka petrograficzna

Południowa część cen- tralnej Polski Kruszywo 

łamane ze skał  węglanowych

Wapień

Kruszywo łamane pochodzące z przekruszenia skały  osadowej – dewońskiego wapienia pochodzenia  organogenicznego. Skała barwy szaro-kremowej,  struktury drobnokrystalicznej, tekstury zbitej, ma- sywnej brak porowatości.

Dolomit

Kruszywo łamane pochodzące z przekruszenia skały  osadowej – dewoński dolomit. Skała barwy szarej,  struktury drobnokrystalicznej, tekstury zbitej, ma- sywnej, brak porowatości.

Region

Polski Rodzaj kruszywa Ogólna charakterystyka petrograficzna

Południowy zachód Kruszywa

 łamane ze skał  magmowych – 

głębinowych

Granit 

Kruszywo łamane pochodzące z przekruszenia skały  litej, skała magmowa – głębinowa, granit leuko- kratyczny. Skała barwy biało-szarej o strukturze  fanerokrystalicznej średniokrystalicznej, teksturze  zbitej, bezładnej.

Makroskopowo w składzie mineralnym dominuje  kwarc wykształcony w postaci ksenomorficznych  kryształów o charakterystycznym tłustym połysku  oraz automorficzne (tabliczkowe) do hipautomor- ficznych skalenie alkaliczne. Ponadto, rozpoznano  biotyt wykształcony zarówno w postaci drobnych  blaszek, jak i większych kulistych skupień, spora- dycznie obserwuje się drobne blaszki muskowitu  o charakterystycznym srebrzystym połysku.

Gabro Kruszywo łamane, pochodzące z przekruszenia  skały litej – magmowej, głębinowej – gabro.

Skała barwy szarozielonej, struktura średniokrysta- liczna, tekstura zbita, masywna.

Południowy zachód

Kruszywo  łamane ze skał 

magmowych wulkanicznych

Bazalt

Kruszywo łamane, pochodzące z przekruszenia  skały litej – magmowej, wylewnej – bazalt (typowa  skała maficzna).

Skała barwy ciemnoszarej, struktura afanitowa,  tekstura zbita, masywna.

W afanitowym cieście skalnym obserwuje się drobne  krótko tabliczkowe kryształy minerałów maficznych  najprawdopodobniej piroksenu.

Południe

Porfir

Kruszywo łamane pochodzące z przekruszenia skały  litej – magmowej, wylewnej – porfir.

Skała barwy brunatnej pochodzącej od zawartości  tlenków żelaza, struktura porfirowa, tekstura zbita,  bezładna, masywna. Porfir bezkwarcowy.

Południowy  zachód

Kruszywo  łamane ze skał 

metamorfi- -cznych

Amfibolit

Kruszywo łamane pochodzące z przekruszenia skały  litej – metamorficznej – amfibolit. Skała barwy sza- rozielonkawej, struktura średnioblastyczna, tekstura  subtelnie uporządkowana. Makroskopowo w skła- dzie mineralnym zidentyfikowano krótkie słupki  hornblendy.

7. Wyniki badań

W tabeli 3 przedstawiono otrzymane wyniki badań oznaczenia odporności na polerowanie  PSV, odporności na rozdrabnianie LA oraz odporności na ścieranie M_DE , dla poszcze- gólnych próbek badawczych. W nawiasie podano kategorie według norm PN-EN 12620  [9] i PN-EN 13043 [10].

Tabela 2. Cd. Ogólna charakterystyka petrograficzna kruszyw pochodzących z przekru- szenia skał litych

Tabela 3. Wyniki badań fizyko-mechaniczne kruszyw z wybranych krajowych złóż

Próbka

Odporność na polerowanie

PSV (kategoria PSV)

Odporność na rozdrabnianie

LA (kategoria LA)

Odporność na ścieranie M_DE (kategoria M_DE) Kruszywo łamane z otoczaków polodowcowych,

o stopniu przekruszenia co najmniej C_95/1 Kruszywo polodowco-

we próbka 1  52 (PSV₅₀) 23 (LA₂₅) 9 (M_DE10) Kruszywo polodowco-

we próbka 2  50 (PSV₅₀) 24 (LA₂₅) 10 (M_DE10) Kruszywo polodowco-

we próbka 3  55 (PSV₅₀) 19 (LA₂₀)

25 (LA₂₅) 8 (M_DE10) 11 (M_DE15) Kruszywo polodowco-

we próbka 4  56 (PSV₅₆) 20 (LA₂₀) 10 (M_DE10) Kruszywo polodowco-

we próbka 5  43

(Deklarowane) 23 (LA₂₅) 12 (M_DE15) Kruszywo rzeczne 

próbka 6  59 (PSV₅₆) 24 (LA₂₅) 22 (M_DE 25) Kruszywo łamane ze skał zwięzłych (grysy)

Granit  56 (PSV₅₆) 39 (LA₄₀) 9 (M_DE10)

Gabro  55 (PSV₅₀) 15 (LA₁₅) 12 (M_DE15)

Porfir 54 (PSV₅₀) 14 (LA₁₅) 6 (M_DE10)

Wapień  39 (Deklarowane) 25 (LA₂₅) 18 (M_DE 20) Dolomit  43 (PSV₄₄) 25 (LA₂₅) 14 (M_DE 15) Kruszywo pochodzenia rzecznego z południowego-wschodu Polski (żwiry)

Żwir 1 52 (PSV₅₀) 35 (LA₄₀) ¹⁾

35 (LA ₃₅) ²⁾ 18 (M_DE 20)

Żwir 2 50 (PSV₅₀) 27 (LA₃₀) 15 (M_DE 15)

1) Klasyfikacja wg PN EN 13043

2) Klasyfikacja wg PN EN 12620

Spośród przebadanych kruszyw najkorzystniejsze wartości odporności na polero- wanie wykazały trzy kruszywa łamane z otoczaków polodowcowych (próbka nr 6, 4  i 3), kruszywo granitowe oraz gabro. Zjawisko to można powiązać ze składem petrogra- ficznym tych kruszyw. Kruszywa łamane z otoczaków polodowcowych (próbka nr 4, 6,  3) wykazują największą zawartość ziaren drobnoziarnistego piaskowca, w porównaniu  do innych kruszyw łamanych z otoczaków polodowcowych (próbki nr 1, 2 i 5). Ziarna  piaskowca nie ulegają polerowaniu, z uwagi na wyrywanie pojedynczych minerałów  z matrycy ziarna, podczas ich polerowania, przez co powierzchnia cały czas pozostaje  szorstka. W przypadku kruszywa granitowego stosunkowo wysoka wartość PSV wynika  głównie ze zróżnicowanej twardości budujących go minerałów. Obok twardych minerałów  kwarcu występują miękkie, sprężyste blaszki łyszczyków.

Kruszywa łamane ze skał węglanowych: wapień i dolomit wykazały najniższą war- tość odporności na polerowanie. Pozostałe kruszywa uzyskały kategorię PSV₅₀. Należy  przy tym podkreślić, że w przypadku standardowych zastosowań minimalna wartość  wskaźnika PSV powinna wynosić 50 i wartość tą uzyskało większość badanych kruszyw.

Wszystkie badane kruszywa charakteryzowały się porównywalną, stosunkowo wy- soką odpornością na ścieranie. Najmniejszą odporność na ścieranie wykazały kruszywa  pochodzenia osadowego (żwiry i grysy pochodzenia rzecznego oraz kruszywo wapienne  i dolomitowe).

  Badane  kruszywa  łamane  z  otoczaków  polodowcowych  osiągnęły  kategorię  odporności  na  rozdrabnianie  od  LA₂₀  do  LA₂₅.  Podobną  odporność  na  rozdrabnianie  uzyskały kruszywa łamane ze skał węglanowych: wapień i dolomit. Najwyższą kategorię  odporności na rozdrabnianie LA₁₅ wykazały kruszywa z porfiru i gabro. Warto podkreślić  stosunkowo dobrą odporność na rozdrabnianie kruszyw pochodzenia polodowcowego. 

Kruszywa polodowcowe z północy Polski zawierają znaczną ilość ziaren ze skał mag- mowych (granitowych). W przeciwieństwie jednak do typowych granitów z południa  Polski, wykazują większą odporność na rozdrabnianie [11].

Na  rysunkach  nr  1–3  przedstawiono  porównanie  wyników  badań  odporności  na  polerowanie, odporności na rozdrabnianie i odporności na ścieranie, jakie uzyskano dla  omawianych kruszyw. Z przedstawionych wyników na rysunku 1 widać, że pomiędzy  odpornością na ścieranie, a polerowalnością nie występuje żadna korelacja. Podobnie na  rysunku 2 brak jest korelacji pomiędzy odpornością na rozdrabnianie i polerowalnością.

Na rysunku 3 pomimo braku wyraźnej korelacji pomiędzy wynikami odporności na  rozdrabnianie i ścieralności mikro-Devala, widoczna jest zależność obniżenia odporności  na ścieranie (wysokie wartości M_DE) dla kruszyw o mniejszej odporności na rozdrabnianie  (wysokie wartości LA).

Rys 1. Porównanie ścieralności i polerowalności różnych kruszyw mineralnych

Rys 2. Porównanie odporności na rozdrabnianie i polerowalności różnych kruszyw mineralnych

Rys 3. Porównanie odporności na rozdrabnianie i ścieralności różnych kruszyw mineralnych

8. Podsumowanie

Analizując  przedstawione  wyniki  badań  podkreślić  należy,  że  kruszywa  łamane  pro- dukowane  z  otoczaków  polodowcowych  (głównie  granitowych),  zbliżone  są  jakością  do kruszyw łamanych uzyskiwanych ze skał magmowych. Dotyczy to najważniejszych  cech fizyko-mechanicznych, do których zalicza się odporność na rozdrabnianie, polero- walność i ścieralność. Kruszywa łamane pochodzenia polodowcowego eksploatowane  są ze złóż znajdujących się na północy Polski. Szczególnie region północno-wschodni  znany jest z dużych zasobów eksploatowanych tam złóż kruszyw [12]. Stosując selek- tywnie wydzielone i odpowiednio przerobione kruszywa polodowcowe można uniknąć  kosztownego transportu kruszyw pochodzenia magmowego, produkowanych w regionie  południowo-zachodnim. 

Z przedstawionych wyników badań wynika, że nie można wykazać prostej korela- cji pomiędzy, wydawać by się mogło, zbliżonymi parametrami fizyko-mechanicznymi  badanych  kruszyw,  takimi  jak:  odporność  na  rozdrabnianie,  polerowanie  i  ścieranie. 

Najwyraźniej widać to w przypadku kruszywa granitowego. Kruszywo to charaktery- zuje się bardzo wysoką odpornością na ścieranie (najwyższa kategoria M_DE 10), dobrą  odpornością na polerowanie, natomiast niską odpornością na rozdrabnianie. Wiąże się  to z innymi mechanizmami procesu destrukcyjnego, którym poddawane jest kruszywo  podczas oznaczenia poszczególnych właściwości.

Przeprowadzone  badania  wykazały,  że  wzrost  zawartości  piaskowca  w  składzie  petrograficznym kruszywa skutkuje większą odpornością na polerowanie w przypadku  kruszyw pochodzących z przekruszenia otoczaków polodowcowych. Istotna jest również  wysoka zawartość granitu w kruszywach polodowcowych. W przypadku kruszyw po- chodzących z przekruszenia skał litych istotne znaczenie ma zróżnicowanie ich składu  mineralnego pod kątem twardości poszczególnych minerałów. Kruszywa, które w swoim  składzie mineralnym zawierają jedynie twarde minerały będą się polerować, w wyniku  czego wskaźnik PSV dla takich kruszyw będzie niższy.

Powyżej  przedstawione  wyniki  badań  właściwości  wytrzymałościowych  różnych  surowców skalnych i uzyskiwanych z nich kruszyw pokazują, że chcąc dokonać właściwej  oceny surowca skalnego kierowanego do przeróbki lub oceny uzyskiwanego produktu,  należy przeprowadzić dokładne badania określonych jego cech. Na ogół kruszywa uzy- skiwane z danego złoża skały litej charakteryzują się zbliżonymi właściwościami fizyko- -mechanicznymi, ale niekiedy tak nie jest. Duże różnice mogą występować zwłaszcza  w przypadku złóż wapieni i kruszyw żwirowych. Nie występują też wyraźne korelacje  pomiędzy poszczególnymi parametrami opisującymi właściwości fizyko-mechaniczne. 

Uzasadnione jest więc prowadzenie badań różnych właściwości kruszyw, zależnie od  przeznaczenia kruszywa i warunków w jakich będzie ono poddawane oddziaływaniom  zewnętrznym.

Ocena właściwości fizyko-mechanicznych skał i kruszyw służy ocenie ich przydatności  do konkretnych zastosowań, ale umożliwia również właściwy dobór urządzeń przerób- czych. Rodzaj materiałów, z których wykonywane są elementy robocze tych urządzeń  uzależniony jest od cech przerabianego materiału. Odnosi się to głównie do materiałów  stosowanych na wykładziny komór kruszenia, płyt odbojowych kruszarek udarowych,  listew udarowych, czy elementów mielących w postaci kul i cylpebsów.

Z  przeprowadzonych  badań  wynika,  że  większość  z  badanych  kruszyw  spełnia  wymagania WT 1 w zakresie odporności na polerowanie PSV i mogą być stosowane do  wytwarzania warstw ścieralnych nawierzchni drogowych. Wyjątek stanowi próbka kru- szywa łamanego z otoczaków polodowcowych nr 5, która charakteryzowała się znaczącą  zawartością łatwo polerujących się ziaren węglanowych. Uzyskane wartości odporności  na rozdrabnianie LA wykazały możliwość zastosowania większości badanych kruszyw  do warstw wiążących i ścieralnych nawierzchni oraz do powierzchniowych utrwaleń.

Referat opracowany w ramach projektu ASR –RID oraz pracy statutowej Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Odział Szkła i Materiałów Budowlanych w Kra- kowie, Zakładu Betonów, Zapraw i Kruszyw nr 3NS08B16.

Literatura

[1]  WT-1:2014 Kruszywa do mieszanek mineralno-asfaltowych i powierzchniowych utrwaleń na drogach  krajowych, 

[2]  P.G.  Roe;  S.A.  Hartshorne,  1988:  The  Polished  Stone  Value  of  aggregates  and  in-service  skidding  resistance, TRL Report 322, 3-21,

[3]  PN-EN  1097-8  Badania  mechanicznych  i  fizycznych  właściwości  kruszyw  –  Część  8:  Oznaczanie  polerowalności kamienia, 

[4]  M. Wasilewska; A. Plewa; W. Gardziejczyk, 2011: Wybrane problemy konstruowania nawierzchni  drogowych, Budownictwo i inżynieria środowiska, nr 2, 183-189,

[5]  A. Duszyński, 2005: Optymalizacja odporności na ścieranie kruszyw do warstwy ścieralnej nawierzchni,  Sprawozdanie, Instytut Badawczy Dróg i Mostów,

[6]  PN-EN 1097-2 Badania mechanicznych i fizycznych właściwości kruszyw – Część 2: Metody oznaczania  odporności na rozdrabnianie, 

[7]  PN-EN  1097-1  Badania  mechanicznych  i  fizycznych  właściwości  kruszyw  –  Część  1:  Oznaczanie  odporności na ścieranie (mikro-Deval) ,

[8]  PN-EN 932-3+A1:2004 Badania podstawowych właściwości kruszyw – Procedura i terminologia uproszczonego opisu petrograficznego 

[9]  PN-EN 12620+A1 – Kruszywa do betonu,

[10]  PN-EN 13043 Kruszywa do mieszanek bitumicznych i powierzchniowych utrwaleń stosowanych na  drogach, lotniskach i innych powierzchniach przeznaczonych do ruchu.

[11]  Z.  Naziemiec,  A.  Garbacik,  G.  Adamski:  Reaktywność  alkaliczna  krajowych  kruszyw.  Kruszywa  Mineralne t.1. Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2017, [12]  K.  GUZIK,  J.  SZLUGAJ:  Baza  zasobowa  kruszyw  naturalnych  żwirowo-piaskowych  północno- -wschodniej Polski wobec planowanych inwestycji drogowych. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa  Politechniki Wrocławskiej. Nr 134. Wrocław 2012.