Przykłady praktycznego zastosowania kruszyw lekkich

Mimo opracowania wielu technologii uzyskiwania kruszyw lekkich, coraz częściej z zastosowaniem surowców odpadowych, kruszywa lekkie nie zostały objęte szerokim wachlarzem dokumentów technicznych w zakresie wykorzystania w budownictwie i dlatego, niezależnie od wielu korzystnych cech, takich jak wysoka izolacyjność cieplna, niska gęstość, niepalność czy wysoka mrozoodporność, ich stosowanie nie jest zbyt powszechne.

Rozwój technologii wspomagających budownictwo oraz duża podaż materiałów odpadowych, które coraz częściej są stosowane w konstrukcjach budowlanych, stanowią bodziec do szerszego stosowania kruszyw lekkich. W niniejszym artykule zostaną przedstawione przykłady wykorzystania praktycznego kruszyw lekkich.

Podstawowe parametry kruszyw lekkich

Właściwości kruszyw lekkich wynikają z ich porowatej struktury powstającej w wyniku procesów technologicznych. Dostępne na rynku kruszywa lekkie to kruszywa sztuczne powstające w procesach termicznych, kiedy to następuje tworzenie pustek powietrznych zamkniętych w strukturze pojedynczych ziaren. W zależności od surowca użytego do produkcji powstaje produkt o zróżnicowanych właściwościach. Zestawienie podstawowych cech kruszyw lekkich dostępnych na polskim rynku zestawiono w TABELI 1.

Podstawowe zastosowanie kruszyw lekkich wynikające z ich właściwości to:

• betony lekkie stosowane jako warstwy izolacyjne i coraz częściej betony konstrukcyjne,
• geotechnika – warstwy dróg, warstwy izolacyjne,
• ogrodnictwo – podłoże do upraw, dachy zielone.

Kruszywa o niskim współczynniku przewodzenia są stosowane głównie w warstwach izolacyjnych (perlit). Kruszywa o wysokiej wytrzymałości na miażdżenie znajdują zastosowanie w konstrukcjach drogowych i w betonach konstrukcyjnych. Wysoka nasiąkliwość jest pożądaną cechą w ogrodnictwie, gdzie kruszywa stanowią magazyn wody.

Informacje na temat zakresu badań kruszyw sztucznych lekkich zawarte są w normach PN-EN 13055-1 „ Kruszywa lekkie. Część 1. Kruszywa lekkie do betonu, zaprawy i rzadkiej zaprawy ” [1] oraz PN-EN 13055-2, „ Kruszywa lekkie. Część 2. Kruszywa lekkie do mieszanek bitumicznych niezwiązanych i związanych hydraulicznie oraz powierzchniowych utrwaleń ” [2].

Kruszywa lekkie, jak każdy wyrób budowlany dopuszczony do użytku, powinny mieć deklarowane przez producenta cechy opisane w wymienionych normach adekwatnie do przewidywanego zastosowania. Charakterystyki techniczne kruszyw z zasady zawierają tylko część właściwości opisanych w normach, co świadczy również o braku szczegółowych wytycznych technicznych w zakresie stosowania np. w geotechnice (przykładowo przydatne parametry kruszyw – zagęszczanie i nośność – nie są badane przez producentów kruszyw).

Betony lekkie

Betony lekkie są stosowane głównie jako warstwy izolacyjne, wypełniające oraz izolacyjno-konstrukcyjne.

Najczęściej wykorzystywane są zamiast styropianu pod posadzkę oraz na warstwy spadkowe na dachach i stropach. Z zasady betony lekkie nie pełnią funkcji konstrukcyjnej, natomiast mają właściwości pozwalające na zastosowanie jako:

• warstwy termoizolacyjne, co gwarantuje oszczędności energii,
• elementy odciążające konstrukcje budowli (np. stropy),
• elementy izolacji akustycznej.

Uzyskanie określonych właściwości w w/w zastosowaniach jest uzależnione od odpowiedniego doboru rodzaju betonu lekkiego i jego prawidłowego wykonania.

Obecnie dzięki rozwojowi technologii produkcji kruszyw sztucznych, jak również materiałów wiążących oraz dodatków i domieszek, możliwości zastosowania betonu lekkiego do celów konstrukcyjnych są zdecydowanie większe. Lekkie betony kruszywowe, oprócz powszechnego wykorzystania do produkcji prefabrykatów drobno- i wielkowymiarowych pełniących zarówno funkcję nośną, jak i nienośną w obiektach budowlanych, znajdują szerokie zastosowanie również w budownictwie monolitycznym. Przykładowe konstrukcje bloczków wykonanych na bazie keramzytu przedstawiono na FOT. 1–3.

Konstrukcyjne betony lekkie, dzięki korzystnej relacji niskiej gęstości i odpowiednio wysokiej wytrzymałości, używane są również do renowacji obiektów zabytkowych, w których zastępują pierwotnie zastosowany materiał. Mimo szerokiego spektrum zastosowań konstrukcyjnych betonów lekkich liczba realizacji obiektów budowlanych z zastosowaniem tego materiału jest stosunkowo niewielka w porównaniu z betonami produkowanymi z wykorzystaniem kruszyw tradycyjnych. Przyczyn takiego stanu rzeczy jest kilka. Najistotniejsze z nich to:

• brak uniwersalnych metod projektowania tych betonów, które umożliwiałyby uwzględnienie różnych rodzajów kruszyw lekkich oraz nowoczesnych dodatków i domieszek,
• bardziej złożony, w stosunku do betonów zwykłych, sposób kształtowania właściwości,
• bardziej skomplikowana i czasochłonna technologia produkcji, obarczona większym ryzykiem błędu.

Do stosowania konstrukcyjnych betonów lekkich zniechęca również wiele opinii dotyczących ich licznych mniej korzystnych właściwości fizycznych i mechanicznych.

Beton lekki to kompozyt o małej gęstości, poniżej 2000 kg/m3. Dla zmniejszenia gęstości stosowane jest kruszywo lekkie lub sztucznie wprowadzane są pęcherzyki powietrza. Wybór metody zależy głównie od zastosowania betonu lekkiego lub jego wymaganych właściwości. Jeżeli beton lekki ma zastosowanie jako beton wypełniający o dopuszczalnej niskiej wytrzymałości, wytwarzane są betony i zaprawy o bardzo dużej porowatości (napowietrzony beton lekki). Jeżeli wymaga się, aby beton lekki miał dobre właściwości mechaniczne, np. wytrzymałość na ściskanie, stosowane są specjalne kruszywa o dużej porowatości, ale o stabilnych wymiarach.

Betony lekkie charakteryzują trzy podstawowe właściwości: masa własna, czyli gęstość betonu, oraz związane z nią wytrzymałość na ściskanie i współczynnik przewodzenia ciepła. Odpowiedni dobór parametrów jest zatem kompromisem między nimi. W TABELI 2 zamieszczono podstawowe parametry i przykładowe zastosowanie najczęściej produkowanych w kraju betonów lekkich.

Geotechnika

Zastosowanie kruszyw lekkich w budownictwie drogowym dotyczy głównie wypełnienia stosowanego w nasypach i zasypkach w celu zmniejszania obciążeń podłoża i parcia gruntu na ściany oporowe oraz ograniczenia długotrwałych osiadań i deformacji budowli. Jest to wskazane:

• w przypadku budowy, podwyższania lub poszerzania nasypów na bardzo ściśliwym podłożu (np. na bagnach),
• gdy nasyp z materiału ziemnego wywołałby nadmierne i długotrwałe osiadanie lub, w skrajnych przypadkach, mógłby zatonąć lub utracić stateczność,
• w przypadku wymiany gruntu w celu naprawy długotrwale osiadających nasypów na bardzo ściśliwym podłożu, zwłaszcza gdy kolejne wyrównywanie niwelety drogi nakładkami bitumicznymi dociąża podłoże i powoduje dalszy przyrost osiadań,
• jako zasypka do zabezpieczania lub naprawy ścian oporowych i przyczółków mostów, doznających przemieszczeń poziomych spowodowanych bocznym parciem słabego gruntu, wywołanym przez obciążenie pionowe nasypem.

W każdym z powyższych przypadków wykorzystywana jest niska gęstość nasypowa kruszywa, która w stosunku do naturalnych kruszyw jest od 2 do 4 razy niższa, przy jednoczesnym charakteryzowaniu się wystarczającą dla tego typu zastosowań nośnością kruszywa. Ponieważ kruszywa lekkie charakteryzują się wysoką nasiąkliwością, powinny być zabezpieczone przed jej działaniem, w szczególności gdy nie można ich wbudowywać w budowlę ziemną poniżej poziomu zwierciadła wody gruntowej. W przypadku okresowego przyboru wody omywającej budowlę (np. przybory w rzekach) konieczne jest sprawdzenie warunku stateczności z uwzględnieniem sił wyporu.

Lekkie wypełnienia mają mały współczynnik przewodzenia ciepła. Ta cecha jest pożyteczna przy tworzeniu warstw chroniących podłoże pod drogą przed przemarzaniem, co jest bardzo istotne na gruntach wysadzinowych.

Lekkie kruszywa keramzytowe są przydatne do wykonywania nasypów odciążających na bardzo słabych podłożach oraz do zasypek lub obsypek rozmaitych konstrukcji.

Problematyka wbudowania kruszyw lekkich dotyczy ich sposobu zagęszczania, aby uzyskać odpowiednią nośność warstwy i jej stabilność. Z uwagi na znacznie mniejsze właściwości wytrzymałościowe kruszyw lekkich, a jednocześnie potrzebę zachowania struktury kruszyw, by nie dopuścić do zwiększenia obciążenia konstrukcji, nie można stosować tradycyjnych metod zagęszczania warstw drogowych.

Ponieważ kruszywo keramzytowe charakteryzuje się dużym współczynnikiem tarcia, na powierzchni kruszywa nie jest wymagane intensywne zagęszczanie, gdyż ziarna dzięki dużemu tarciu dobrze się klinują. Nasypy z kruszyw keramzytowych należy układać na przygotowanym podłożu, warstwami o ograniczonej grubości do 1 m, stosując urządzenia transportowe i zagęszczające o nacisku do 30 kN/m² (zagęszczanie statyczne).

Kolejny problem w przypadku stosowania kruszyw lekkich w konstrukcjach drogowych to zastosowanie z zasady kruszyw o frakcji 10/20 mm, co z założenia utrudnia zagęszczanie gruntu.

Kwestia końcowa to wymagania mechaniczne warstwy gruntu – wartości modułu odkształcenia. W zależności od grupy podłoża gruntowego (G1–G4) wartość modułu odkształcenia powinna wynosić nie mniej niż 25 MPa dla grupy podłoża G4 i 35 MPa dla grupy podłoża G3 (z zasady dla tego typu grup podłoża stosuje się kruszywo lekkie keramzyt jako materiał stosowany do stabilizacji podłoża poprzez wymianę gruntów słabonośnych).

Warstwę lekkiego kruszywa z zasady osłania się geowłókniną i odseparowuje od podłoża. Takie rozwiązanie ogranicza rozkład naprężeń w ośrodku ziarnistym wewnątrz tak utworzonego materaca. Budowla ziemna z lekkiego kruszywa powinna zostać przykryta warstwą gruntu lub kruszywa o grubości co najmniej 0,6 m, mieszanki stabilizowanej mechanicznie lub mieszanki stabilizowanej spoiwem. Są to działania techniczne stosowane dla materiałów o gorszych właściwościach mechanicznych, zarówno kruszyw lekkich, jak i coraz częściej spotykanych wkładek ze styropianu – geowłóknina pełni rolę warstwy wzmacniającej oraz zapobiega przenikaniu wody.

Przykłady zastosowań

Mimo że kruszywa lekkie mają gorsze właściwości mechaniczne od kruszyw naturalnych, ich przydatność jest rekompensowana głównie niską gęstością i izolacyjnością cieplną. Zastosowane w geotechnice warstwy kruszyw lekkich są wzmacniane poprzez montaż geosiatek, co umożliwia przenoszenie obciążeń od ruchu pojazdów i konstrukcji budowlanych. Typowym przykładem jest zastosowanie kruszywa lekkiego – keramzytu w budowie warstw nasypu ( FOT. 4 ), co umożliwia obniżenie obciążenia podłoża (stosowane na gruntach słabonośnych, podmokłych).

Kolejnym przykładem jest wykonanie zasypki z kruszywa lekkiego przy montażu przewodów instalacyjnych. Rozwiązania takie są stosowane w przypadku gruntów słabonośnych, nawodnionych. Podstawowa rola zasypki to ograniczenie osiadania konstrukcji przewodu, izolacja cieplna, a także dodatkowa informacja dla operatora maszyny przy ewentualnych naprawach instalacji. Przykładowa realizacja została przedstawiona na FOT. 5 i FOT. 6. Tradycyjnie zastosowano w konstrukcji geowłókninę jako warstwę wzmacniającą.

Kolejne rozwiązanie dotyczy przyczółka mostowego. Wypełnienie przestrzeni po wymianie gruntu pozwoliło na zmniejszenie obciążeń poziomych i pionowych, co obniżyło ryzyko przemieszczeń konstrukcji nasypu i podłoża. Wypełnienie przestrzeni ograniczonej ściankami szczelinowymi oraz zastosowanie osłony z geowłókniny pozwala na przenoszenie obciążeń w wymaganym zakresie bez utraty wszystkich korzyści wynikających ze stosowania kruszyw lekkich.

Ostatni przykład zastosowania kruszyw lekkich w budownictwie drogowym dotyczy wykonania podbudowy z zastosowaniem innego kruszywa lekkiego – certydu ( FOT. 7 ).

Analogicznie jak w poprzednich przykładach, podstawą stosowania tego typu technologii jest odciążenie podłoża. W celu osiągnięcia wymaganej nośności warstwy drogi zastosowano zagęszczanie walcami okołkowanymi.

Ponieważ zastosowanie kruszyw lekkich nie ogranicza się tylko do budownictwa drogowego, jako ostatnie zastosowanie, szczególnie przyszłościowe z uwagi na ograniczanie emisji CO2, to wykorzystanie kruszyw lekkich do produkcji prefabrykatów betonowych wykorzystywanych w technologii domów pasywnych. Przykładowe wykorzystanie tych rozwiązań przedstawiono na FOT. 8.

Podsumowanie

Kruszywa lekkie stanowią ważny surowiec w nowoczesnym budownictwie. Przedstawione w artykule przykłady zastosowań nie wyczerpują możliwości zastosowań kruszyw lekkich. Barierą do szerszego wykorzystania mogą stanowić wyższa cena w stosunku do kruszyw naturalnych, ograniczona podaż i brak dokumentów technicznych określających wymagania dla poszczególnych zastosowań.

Kierunki rozwoju budownictwa i innych dziedzin, w których znajdują zastosowanie kruszywa lekkie, w szczególności budownictwo pasywne, rolnictwo, budownictwo drogowe, stanowią wyzwanie dla producentów kruszyw, aby podołać coraz wyższym wymaganiom stawianym kruszywom lekkim. Większa oferta na rynku kruszyw lekkich (certyd, gransil) to również element konkurencji, który sprzyja rozwojowi tej dziedziny gospodarczej.

Literatura

1. PN-EN 13055-1, „Kruszywa lekkie. Część 1. Kruszywa lekkie do betonu, zaprawy i rzadkiej zaprawy”.
2. PN-EN 13055-2, „Kruszywa lekkie. Część 2. Kruszywa lekkie do mieszanek bitumicznych niezwiązanych i związanych hydraulicznie oraz powierzchniowych utrwaleń”.
3. B. Gajewska, B. Kłosiński, „Rozwój metod wzmacniania podłoża gruntowego”, Seminarium IBDiM i PZWFS, Warszawa, 2011.
4. S. Majer, G. Szmechel, „Wykorzystanie keramzytu geotechnicznego do naprawy nasypów drogowych”, XXVII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane 2015.
5. K. Łuczaj, P. Urbańska, „Certyd – nowe, lekkie, wysokowytrzymałe kruszywo lekkie”, „Materiały Budowlane” 12/2015.
6. Geotechnika – Keramzyt Leca.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!