Kruszywo

Kruszywo” to zbiorczy termin dla materiałów mineralnych takich jak piasek, żwir i kruszony kamień, które są używane wraz z medium wiążącym (takim jak woda, bitum, cement portlandzki, wapno, itp.) do tworzenia materiałów złożonych (takich jak beton asfaltowy i beton portlandzki). Objętościowo kruszywo stanowi 92 do 96 procent HMA i około 70 do 80 procent betonu portlandzkiego. Kruszywo jest również używane do warstw bazowych i podbudowy zarówno dla elastycznych, jak i sztywnych nawierzchni.

Kruszywa mogą być naturalne lub wytwarzane. Kruszywa naturalne są generalnie wydobywane z większych formacji skalnych poprzez otwarte wykopy (kamieniołom). Wydobyta skała jest zwykle redukowana do rozmiarów użytkowych poprzez kruszenie mechaniczne. Kruszywo produkowane jest często produktem ubocznym innych gałęzi przemysłu wytwórczego.

W niniejszym rozdziale omówiono pokrótce źródła kruszyw i ich wydobycie, a następnie opisano podstawowe właściwości mineralne, chemiczne i fizyczne kruszyw, które mają największe znaczenie dla nawierzchni, oraz typowe badania służące do ich określenia. Bardziej szczegółowe informacje na temat kruszywa można znaleźć w poniższym źródle:

Źródła kruszywa

Kruszywa mogą pochodzić ze źródeł naturalnych lub produkcyjnych. Kruszywa naturalne pochodzą ze skał, wśród których można wyróżnić trzy szerokie klasyfikacje geologiczne (Roberts, et al., 1996):

Skały iglaste Skały te są przede wszystkim krystaliczne i powstały w wyniku ochłodzenia stopionego materiału skalnego znajdującego się pod skorupą ziemską (magma). Skały osadowe Skały te powstają z osadzonego nierozpuszczalnego materiału (np. pozostałości istniejących skał osadzonych na dnie oceanu lub jeziora). Materiał ten pod wpływem ciepła i ciśnienia przekształca się w skałę. Skały osadowe mają wygląd warstwowy i są dalej klasyfikowane w oparciu o dominujący minerał jako wapienne (wapień, kreda, itp.), krzemionkowe (piaskowiec, piaskowiec, itp.) lub argillowe (łupki, itp.). Skały metamorficzne Są to skały iglaste lub osadowe, które zostały poddane działaniu ciepła i/lub ciśnienia wystarczająco dużego, aby zmienić ich strukturę mineralną tak, aby różniły się od skały pierwotnej.

Skała przetworzona składa się zwykle z przemysłowych produktów ubocznych, takich jak żużel (produkt uboczny obróbki metalurgicznej – zwykle wytwarzany przy przetwarzaniu stali, cyny i miedzi) lub skała specjalna, która jest produkowana w celu uzyskania określonej właściwości fizycznej, nie występującej w skale naturalnej (takiej jak niska gęstość kruszywa lekkiego).

Produkcja kruszywa

Kruszywa są produkowane w kamieniołomie lub kopalni (Rysunek 1), których podstawową funkcją jest przekształcenie skały in situ w kruszywo o określonych właściwościach. Zazwyczaj skała jest wydmuchiwana lub wykopywana ze ścian kamieniołomu, a następnie rozdrabniana za pomocą serii sit i kruszarek. Niektóre kamieniołomy są również zdolne do płukania gotowego kruszywa.

Właściwości mineralne

Skład mineralny kruszywa w dużym stopniu decyduje o jego właściwościach fizycznych oraz o tym, jak zachowuje się jako materiał do budowy nawierzchni. Dlatego też przy wyborze źródła kruszywa znajomość właściwości mineralnych skały z kamieniołomu może stanowić doskonałą wskazówkę co do przydatności uzyskanego kruszywa. Cordon (1979) podaje kilka ogólnych wytycznych dotyczących kruszywa stosowanego w HMA.

Tablica 1. Pożądane właściwości skał do HMA
(z Cordon, 1979, cytowane w Roberts et al, 1996)

Ogółem, związki pomiędzy właściwościami mineralnymi i fizycznymi są dość złożone, co sprawia, że trudno jest dokładnie przewidzieć, jak zachowa się konkretne źródło kruszywa na podstawie samych właściwości mineralnych.

Właściwości chemiczne

Choć stosunkowo nieistotne dla luźnego kruszywa, właściwości chemiczne kruszywa są ważne w materiale nawierzchniowym. W przypadku HMA chemia powierzchni kruszywa może decydować o tym, jak dobrze spoiwo asfaltowo-cementowe będzie przylegać do powierzchni kruszywa. Słabe przyleganie, powszechnie określane jako „stripping”, może spowodować przedwczesne uszkodzenie konstrukcji. W PCC, kruszywa zawierające reaktywne formy krzemionki mogą reagować ekspansywnie z alkaliami zawartymi w paście cementowej. Ta ekspansja może powodować pękanie, wyskakiwanie powierzchni i wykruszanie się. Należy pamiętać, że niektóre właściwości chemiczne kruszywa mogą zmieniać się z czasem, zwłaszcza po jego rozkruszeniu. Świeżo pokruszone kruszywo może wykazywać inne powinowactwo do wody niż to samo kruszywo, które zostało pokruszone i pozostawione na składowisku przez rok.

Poniżej podano typowe właściwości chemiczne, które są mierzone dla kruszyw:

• Odkruszanie
• Reakcja alkalia-kruszywo

Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne kruszywa są najbardziej widocznymi właściwościami kruszywa i mają najbardziej bezpośredni wpływ na to, jak kruszywo sprawdza się jako składnik nawierzchni lub jako materiał podstawowy lub podbudowy. Powszechnie mierzone fizyczne właściwości kruszywa to (Roberts i in., 1996):

• Ziarnistość i wielkość
• Twardość i odporność na ścieranie
• Trwałość i solidność
• Kształt cząstek i tekstura powierzchni
• Czystość i materiały szkodliwe
• Zawartość wilgoci

Nie są to jedyne właściwości fizyczne kruszywa, lecz najczęściej mierzone. Testy stosowane do ilościowego określenia tych właściwości są w dużej mierze empiryczne. Właściwości fizyczne kruszywa mogą zmieniać się w czasie. Na przykład świeżo rozkruszone kruszywo może zawierać więcej pyłu i przez to być mniej podatne na wiązanie z lepiszczem asfaltowym

Kruszywo jako materiał podstawowy

Kruszywo jest często stosowane samodzielnie jako niezwiązana warstwa podstawowa lub podbudowa. Przy takim zastosowaniu kruszywo charakteryzuje się poprzednimi właściwościami fizycznymi, jak również ogólną sztywnością warstwy. Sztywność warstwy jest określana za pomocą tych samych testów, które służą do określania sztywności podbudowy.