Materiały do budowy dróg i infrastruktury portowej

Akademia Morska w Szczecinie
Instytut InŜynierii Transportu
Zakład Techniki Transportu
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów
Materiałoznawstwo
i
Nauka o materiałach
Materiały do budowy dróg
i infrastruktury portowej
Opracowali: dr inŜ. Jarosław Chmiel
mgr inŜ. Konrad Kruk
Zatwierdził: dr inŜ. Jarosław Chmiel
Szczecin 2008
1
Materiały ceramiczne
Definicja materiałów ceramicznych
• Są to materiały nieorganiczne o wiązaniach kowalencyjnych lub jonowych
• Otrzymywane zwykle w procesach wysokotemperaturowych
• Do grupy tej zalicza się również szkło i ceramika szklana
Grupa ta obejmuje różnorodne substancje, poczynając od lodu, przez tlenki i węgliki metali aż do
materiałów węglowych
Ogólne właściwości materiałów ceramicznych
• Sztywność
• Wysoki moduł sprężystości
• Znaczna twardość
• Umiarkowana gęstość
• Niska odporność na pękanie
• słaba odporność na szoki cieplne
• mała podatność na formowanie
Klasyfikacja i zastosowanie materiałów ceramicznych
Ceramika
Tradycyjna
(porowata)
InŜynierska
(zaawansowana)
Szkło
Masowa produkcja
Niski koszt
Surowce gliniaste i ilaste
Mała produkcja
Wysoki koszt
Surowce:
czyste składniki
Średnia produkcja
Umiarkowany koszt
Surowce: piaski
soda, tlenki
Ceramika tradycyjna - zastosowanie
•
•
•
•
•
•
•
Masowo produkowane materiały budowlane
cegła i dachówka
kamionka
cementy i betony
materiały ogniotrwałe
Materiały dla techniki sanitarnej
porcelana, porcelit
Ceramika tradycyjna - surowce i podstawy technologii
•
•
•
Gliny zawierające tlenki krzemu, tlenki aluminium, rzadziej tlenki żelaza i magnezu
Kaolin
Piaski kwarcowe
2
Ceramika tradycyjna – ogólna technologia
•
•
•
•
•
•
Rozdrabnianie i oczyszczanie surowców
Przygotowanie masy z surowców i wody
Formowanie masy ceramicznej
Suszenie uformowanej kształtki (odparowanie wody)
Wypalanie w odpowiedniej temperaturze
Nakładanie szkliwa (polewy) i ponowne wypalanie
Podstawowe parametry materiałów ceramicznych dla budownictwa
•
•
•
•
Wytrzymałość na ściskanie (nie powinny być bowiem obciążane siłami rozciągającymi)
Chłonność wody
Mrozoodporność
Odporność chemiczna
Cementy
•
•
Spoiwo mineralne, w którym po zmieszaniu z wodą zachodzą procesy wiązania i twardnienia.
Cementy są spoiwami hydraulicznymi - twardnieją na powietrzu lub w wodzie a po stwardnieniu
są odporne na działanie wody
Podstawowe rodzaje cementów
•
•
•
portlandzki – podstawowy rodzaj cementu stosowany w budownictwie lądowym – czas
uzyskiwania pełnej wytrzymałości – 28 dni.
hutniczy – zawiera dodatek żużla wielkopiecowego, w porównaniu z portlandzkim ma mniejsze
ciepło wiązania i z tego względu używany do betonowania dużych masywów (zapory wodne,
śluzy, budownictwo morskie)
glinowy – mieszanina boksytu z wapieniem – czas wiązania – 1 doba, odporny na wodę morską,
silnie egzotermiczna reakcja wiązania. Stosowany do napraw awaryjnych i betonowania podczas
mrozu
Oznaczenie rodzajów cementów powszechnego użytku z uwagi na ilość dodatków
Nazwa cementu
Cement portlandzki
Cement mieszany
Cement hutniczy
Cement pucolanowy
Oznaczenie cementów
według PN-B-19701
CEMI
Dopuszczalna ilość dodatków
[% wagowy]
-
CEM II/A
CEM II/B
CEM III/A
CEM III/B
20
35
65
80
CEM IV/A
CEM IV/B
35
55
3
Kolory rozpoznawcze worków i nadruku
Klasy wytrzymałości
Kolor rozpoznawczy
Kolor nadruku
32,5
32,5 R
42,5
42,5 R
52,5
52,5 R
czarny
czerwony
czarny
czerwony
czarny
biały
jasnobrązowy
zielony
czerwony
Właściwości mechaniczne i fizyczne cementów powszechnego użytku
Klasa
Wytrzymałość na ściskanie [MPa]
Czas wiązania
wczesna
normowa
2 dni
7 dni
28 dni
32,5
-
> 16
>32,5
<52,5
32,5 R
> 10
-
42,5
> 10
-
>42,5
<62,5
42,5 R
>20
-
-
-
52,5
>20
-
>52,5
-
52,5 R
>30
-
-
-
początek
[min]
koniec
[h]
Stałość
objętości
[mm]
>60
< 12
< 10
>45
< 10
Kruszywa
Podział i nazwy kruszyw mineralnych
8,0
16,0
16,0
31,5
31,5
63,0
bardzo
grube
63,0
250,0
otoczaki
Mieszanka kruszywa
łamanego (sortowana)
8,0
Piasek łamany
(granulowany)
4,0
grys
4,0
niesort (mieszanka)
2,0
granulowane
miał
2,0
zwykłe
kliniec
-
kruszone
Mieszanka kruszywa z otoczaków
nieskruszone
piasek
kruszony
do
mieszank
kruszywa
od
Grys z otoczaków
grube
Łamane
pospółka
Naturalne
żwir
drobne
Wielkość ziaren według
wymiarów
otworów sit
kontrolnych
piasek
zwykły
Rodzaj
t ł u czeń
kamień łamany
4
Wymagania techniczne dotyczące piasków do zapraw budowlanych
Właściwości piasku
Odmiana I
Odmiana II
Wskaźnik uziarnienia*
gatunek I
2,8-3,8
gatunek II
-
gatunek I
2,4--3,4
gatunek II
-
Zawartość pyłów mineralnych, nie więcej
niż [%]
Zawartość zanieczyszczeń obcych, nie
więcej niż [%]
Zawartość zanieczyszczeń organicznych
5,0
8,0
4,0
5.0
0,1
0,25
0,1
1,0
Zawartość siarki nie więcej niż [%]
1
barwa nie ciemniejsza od wzorcowej
Wymagania techniczne dotyczące surowca kamiennego do produkcji kruszyw łamanych
Rodzaj skały
Skały magmowe i metamorficzne
Wytrzymałość skały na ściskanie
[MPa]
70
100
150
Marka kruszywa
25
50
75
10
20
30
Skały osadowe (węglanowe,
krzemionkowe, piaskowce)
20
30
50
Wymagane właściwości dotyczące miału, piasku łamanego i drobnego kruszywa
granulowanego
Właściwości
Zawartość zanieczyszczeń obcych wag. [% masy], nie
więcej niż
Wskaźnik piaskowy, nie mniejszy niż:
a)
dla kruszywa z wyjątkiem wapieni
b)
dla kruszywa z wapieni
Wymagania dotyczące
miału
piasku
łamanego
Kruszywa
drobnego
granulowanego
0,5
0,1
0,1
20,0
20,0
65,0
40,0
65,0
40,0
Zawartość zanieczyszczeń organicznych
barwa nie ciemniejsza niż wzorcowa
Zawartość nadziania, wag. nie więcej niż [%]
20,0
15,0
15,0
-
-
15,0
Zawartość frakcji, 2,0 + 4,0 mm, wag. [%] powyżej
5
Właściwości surowców skalnych stosowanych do produkcji kruszyw łamanych do celów
drogowych
Właściwości
Wytrzymałość na ściskanie w stanie nasycenia
wodą, nie mniej niż
Nasiąkliwość, nie więcej niż:
skały magmowe i przeobrażone
Mrozoodporność według metody bezpośredniej,
ubytek masy
Jednostka
MPa
I
120,0
Klasa
II
80,0
III
60,0
%
%
0,5
1,5
1,5
2,5
2.5
4,0
%
2,0
4,0
10,0
Właściwości piasków do nawierzchni drogowych
Cecha
Gatunek
1
2
3
Zawartość nadziania, wag. nie więcej niż [%]
15
15
15
Zawartość ziaren mniejszych niż 0,075 mm, wag. nie więcej niż [%]
1
5
10
0,1
0,1
0,2
Zawartość zanieczyszczeń obcych, wag. [% masy] nie więcej niż
Zawartość zanieczyszczeń organicznych, barwa cieczy
nie ciemniejsza niż
wzorcowa
Wymagane właściwości kruszyw żwirowych i mieszanek do celów drogowych
Cecha
Nie więcej niż [wag. %]
klasa I
klasa II
klasa III
1
2,5
4
Mrozoodporność
2,5
5
10
Zawartość związków siarki w przeliczeniu na S03
0,2
1,0
1,0
Zawartość ziaren nieforemnych
15
25
30
Zawartość ziaren słabych i zwietrzałych
7
10
15
Zawartość zanieczyszczeń obcych
0,1
0,2
0,3
Zawartość zanieczyszczeń organicznych
barwa cieczy nie ciemniejsza niż
wzorcowa
75
65
40
Nasiąkliwość
Wskaźnik piaskowy
6
Wymagane właściwości klińca i tłucznia do nawierzchni drogowych
Cechy
Klasa
I
Nasiąkliwość, wag. nie więcej niż [%]
II
1,5 + 2,0 2 + 3
Odporność na działanie mrozu (strata masy), wag. nie więcej niż [%]
2
2+5
III
3+5
10
Właściwości i podział na klasy surowca skalnego do produkcji kruszywa łamanego do celów
kolejowych
Właściwości
JedKlasa
nostka
I
II
ra
Wytrzymałość na ściskanie w stanie powierzchniowym, nie mniejsza
niż
MPa
160
140
80
Nasiąkliwość, wag. w stosunku do suchej masy kruszywa nie więcej
niż
Mrozoodporność, wag. nie więcej niż
%
1,5
2,0
3.0
%
1,5
3,0
5,0
Właściwości i podział na gatunki kruszywa kamiennego łamanego do celów kolejowych
Właściwości
Tłuczeń
Kliniec
Gatunek
1
2
1
2
-
-
85
75
zawartość ziaren mniejszych od 63 mm
zawartość nadziania, nie większa niż
zawartość ziaren wydłużonych ponad 100 mm, nie więcej niż
zawartość podziarna, nie większa niż
zawartość ziaren mniejszych od 22,4 mm, nie większa niż
zawartość ziaren mniejszych od 2 mm, nie większa niż
zawartość
mniejszych od[%],
0,063
nieniż
większa niż
Zawartość cząstek
ziaren nieforemnych
niemm,
więcej
100
30
5
20
3
2
0,3
30
100
30
5
25
5
3
35
10
10
2
0,3
15
15
3
30
35
Zawartość zanieczyszczeń obcych [%], nie więcej niż
0,1
0,2
0,1
0,2
Skład ziarnowy wag., [%]:
zawartość frakcji nominalnej, nie mniejsza niż
7
Beton
•
Mieszanina cementu z kruszywem, zarobiona z wodą i twardniejąca wskutek wiązania i
twardnienia cementu
Betony – gęstość
• beton lekki – poniżej 1800 kg/m3
• beton zwykły - 1800 - 2600 kg/m3
• beton ciężki – powyżej 2600 kg/m3
Podstawowy parametr: wytrzymałość na ściskanie
Betony – wytrzymałość wg. EN 206-1
Klasa wytrzyC
C
C
małości
8/10 12/15 16/20
[MPa]
fct cyl
tek
cube
C
20/25
C
25/30
C
30/37
C
35/45
C
40/50
C
45/55
C
50/60
8
12K
16
20
25
30
35
40
45
50
10
15
20
25
30
37
45
50
55
60
Klasy wytrzymałości betonu w zależności od klasy cementu i współczynnika C/W
Klasa
Współczynnik cementowo-wodny
cementu
1,54
1,67
1,82
2,00
2,22
32,5
C 20/25
C 25/30
C 30/37
C 35/45
C 40/50
42,5
C 25/30
C 30/37
C 35/45
C 40/50
C 45/55
Przybliżone wytrzymałości betonu (w procentach wytrzymałości po 28 dniach w zależności
od czasu dojrzewania i temperatury otoczenia
TempeCement portlandzki
Czas twardnienia betonu [dni]
ratura
powszechnego użytku
1
2
3
5
7
10
14
28
0°C
+10°C
+20°C
42,5
32,5
42,5
32,5
42,5
32,5
-
:
10
32
35
45
30
29
20
20
16
44
42
58
50
29
26
59
53
70
60
35
34
70
65
80
70
41
42
80
75
88
80
45
49
88
85
94
90
59
58
96
90
100
100
8
Beton - konsystencja
Dane do porównywania oznaczeń konsystencji mieszanek betonowych
według PN-B-06250:1998
Konsystencja mieszanki
Przyrządy do pomiaru konsystencji
betonowej
Ve-Be stopień H
stożek opadowy
[s]
powyżej 25
12 - 25
4 - 12
1-4
wilgotna (KI)
gęstoplastyczna (K2)
plastyczna (K 3)
półciekła (K4)
ciekła (K 5)
Klasy konsystencji mieszanki betonowej według opadu stożka
Klasa
SI
S2
S3
S4
S5
opad [cm]
<7
7 - 15
powyżej 15
Opad [cm]
1-4
5 - 9
10 - 15
16 - 21
>22
Zastosowanie betonów kruszywowych o różnych konsystencjach
Konsystencja
Zastosowanie betonu i sposób zagęszczania
mieszanki betonowej
elementy betonowe ubijane ręcznie, prefabrykaty betonowe zagęszczane przez
wilgotna
prasowanie wibracyjne
gęstoplastyczna
elementy betonowe o nieskomplikowanych kształtach, zagęszczane
przez ubijanie lub za pomocą wibratorów powierzchniowych
plastyczna
konstrukcje betonowe i żelbetowe zagęszczane za pomocą wibratorów wgłębnych
lub przyczepnych; konstrukcje żelbetowe formowane
pionowo
konstrukcje betonowe i żelbetowe o skomplikowanych kształtach,
gęsto zbrojone; mieszanki betonowe transportowane hydraulicznie
(pompami)
Półciekła i ciekła
Beton – wodoszczelność
Wodoszczelność jest to cecha określająca odporność betonu na przeciekanie wody pod ciśnieniem.
Miarą wodoszczelności jest wskaźnik ciśnienia obliczany jako iloraz wysokości słupa wody do grubości
przegrody. Liczba po literze W określa dziesięciokrotną wartość ciśnienia wody w MPa, działającego na
próbki betonów.
9
Wskaźnik ciśnienia
Stopień wodoszczelności betonu przy jednostronnym
parciu wody
stałym
okresowym
0,5 - 5,0
W2
W2
6,0 - 10,0
W4
W2
11,0 - 15,0
W6
W4
16,0 - 20,0
W8
W6
21,0 - 40,0
W10
W8
ponad 40,0
W12
W10
Beton - mrozoodporność
Stopień mrozoodporności betonu wyraża się liczbą lat (n) użytkowania konstrukcji betonowej. Stopień
mrozoodporności jest osiągnięty wówczas, gdy po wskazanej w symbolu liczbie cykli zamrażania i
odmrażania próbki nie wykazują pęknięć, ubytek masy nie przekracza 5% w stosunku do próbek nie
zamrażanych a spadek wytrzymałości jest mniejszy od 20%.
Wskaźnik (n)
Stopień mrozoodporności
do 25
F. 25
26 - 50
F. 50
51-75
F. 75
76-100
F. 100
101 - 150
F. 150
151-200
F. 200
ponad 200
F. 300
Beton – odporność na czynniki środowiskowe
Klasa środowiska
Przykłady warunków środowiskowych
wnętrza budynków mieszkalnych, biur i hal przemysłowych
środowisko suche 1
2
środowisko wilgotne
a
bez mrozu
wnętrza budynków o wysokiej wilgotności (np.pralnie)
elementy zewnętrzne
—
elementy w nieagresywnych gruntach i/lub w wodzie
b
z mrozem
—
elementy zewnętrzne narażone na mróz
—
elementy w nieagresywnych gruntach i/lub w wodzie,
narażone na mróz
—
elementy we wnętrzach o wysokiej wilgotności,
narażone na mróz
— elementy wewnętrzne i zewnętrzne narażone na
mróz i środki odladzające (np. nawierzchnie mostów
i dróg kołowych)
3
środowisko wilgotne z mrozem
i środkami odladzającymi
10
4
środowisko wody
morskiej
a
bez mrozu
b
z mrozem
— elementy całkowicie lub częściowo zanurzone w wodzie morskiej
lub podlegające rozbryzgom wody
morskiej
—
elementy w powietrzu nasyconym solanką (strefa
przybrzeżna)
—
elementy częściowo zanurzone w wodzie morskiej
lub podlegające rozbryzgom wody i narażone na
mróz
—
elementy w powietrzu nasyconym solanką i narażone na
mróz
Poniższe klasy mogą występować niezależnie lub w kombinacji z klasami podanymi powyżej
środowisko słabo agresywne chemicznie (gazowe,
5
a
ciekłe
lub
stałe)
środowisko
agresywna
atmosfera przemysłowa
chemicznie
—
środowisko
umiarkowane
agresywne chemicznie
b
agresywne
(gazowe,
ciekłe
lub
stałe)
(klasyfikacja
— środowisko silnie agresywne chemicznie (gazowe,
c
według ISO 9690)
ciekłe lub stałe)
Zalecane klasy betonów do konstrukcji budowlanych
Zastosowanie betonu
fundamenty budowli
elementy zginane przy obciążeniu użytkowym < 8 kN/m2
elementy zginane przy obciążeniu użytkowym > 8 kN/m2
elementy ściskane osiowo
elementy ściskane mimośrodowo
fundamenty pod maszyny
żelbetowe elementy prefabrykowane
słupy hal przemysłowych z ciężkimi suwnicami
łupiny i elementy cienkościenne
części budowli mostowych
nawierzchnie drogowe
Klasa betonu
B10-HB15
B10 - B 15
B15H-B20
B10-HB15
B10 - B20
B15 - B25
B15 - B40
B20 - B25
B20 - B30
B25 - B35
powyżej B45
Zalecane marki cementu w zależności od klasy betonu
Cement
Zastosowanie do betonów
portlandzki powszechnego użytku
32,5
hutniczy 32,5
betony konstrukcyjne klas B20- B30, żelbetowe elementy
prefabrykowane
betony konstrukcyjne klas B 20 - B 30
portlandzki powszechnego użytku
wysokich marek
(>32,5)
nadziemne konstrukcje oraz wyroby betonowe i żelbetowe, przy
wykonywaniu których są wymagane szybkie przyrosty
wytrzymałości w ciągu kilku (np. 7) dni
11
Zalecane zastosowanie kruszyw kamiennych do betonów
Nazwa kruszywa
Zalecane zastosowanie
łamane, naturalne
do betonów zwykłych klas B 30 i wyższych
ze skał magmowych i węglanowych
do betonów nienarażonych na działanie środowisk agresywnych
oraz na częste zmiany wilgotności
do betonów o specjalnych wymaganiach jakościowych
piaski klasyfikowane
kruszywa wielofrakcyjne
do betonów o przeciętnych wymaganiach jakościowych
klas do B 20
Wykonanie ćwiczenia
1. Na podstawie dokumentacji zidentyfikować typy i określić właściwości materiałów użytych do
budowy wybranych typów nabrzeży
2. Na podstawie informacji zawartych w wyżej podanych tabelach dokonać analizy struktury
próbki betonu, oszacować udział frakcji kruszywa i jego skład granulometryczny.
Literatura uzupełniająca
Szymański E.: Materiałoznawstwo budowlane z technologią betonu. Warszawa 2002.
12