WPŁYW WARUNKÓW KLIMATYCZNYCH NA NAWIERZCHNIE DROGOWE Z BETONU CEMENTOWEGO Natalia Muzyka, Grzegorz Misiak Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Stanisława Staszica w Pile Streszczenie W dobie intensywnego rozwoju infrastruktury drogowej, szczególnie w zakresie budowy dróg betonowych, niezwykle istotnym jest aby efekt finalny nawierzchnia z betonu cementowego wykazywała w okresie użytkowania bezawaryjność i trwałość. Sposobem na spełnienie tego wymogu jest staranne postrzeganie reżimu i wytycznych technologicznych na każdym etapie prowadzonego projektu drogowego. Bardzo istotnym jest, aby zastosowane materiały pozwoliły na zaprojektowanie betonu o wyspecyfikowanych parametrach, a jednocześnie aby rozwiązanie materiałowe zaprojektowane było ekonomicznie i zgodnie z zasadą zrównoważonego rozwoju. Wstęp Drogi i transport drogowy są tak stare, jak stara jest historia ludzkości. Wraz z rozwojem życia gospodarczego i kulturalnego zwiększały się potrzeby komunikacyjne i transportowe ludzi, udoskonalały się pojazdy, wzrastała ich liczba, a także zwiększały się wymagania, co do stanu technicznego dróg i rozwoju sieci drogowej. Ulepszenia te obejmowały także nawierzchnie betonowe, które przeszły również ewolucję i rewolucję technologiczną w porównaniu ze swoimi pierwowzorami z początku lat dwudziestych ubiegłego wieku. Konstrukcją nawierzchni z betonu cementowego nazywamy zespół warstw ułożonych na naturalnym lub ulepszonym podłożu gruntowym. Służy ona przejmowaniu i przenoszeniu na podłoże gruntowe obciążeń pochodzących od kół pojazdów i innych wpływów zewnętrznych, w sposób zapewniający jej www.think.wsiz.rzeszow.pl, ISSN 2082-1107, Nr 3 (15) 2013, s. 57-63
Wpływ warunków klimatycznych na nawierzchnie drogowe z betonu cementowego określoną trwałość. Konstrukcja taka powinna zapewnić określony poziom wygody i bezpieczeństwa ruchu, co uzależnione jest od równości i szorstkości jej zewnętrznej powierzchni 1. 1. Cel badań Kryzys energetyczny w gospodarce światowej, w tym również i polskiej w połowie lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku, przyczynił się do wzrostu zainteresowania administracji drogowej nawierzchniami betonowymi. Zostało to spotęgowane zwłaszcza wtedy, gdy w połowie lat dziewięćdziesiątych zaobserwowano nagminne zjawisko powstawania kolein w nawierzchniach asfaltowych, spowodowane m.in. zwiększającym się obciążeniem osi pojazdów, jak i wzrostem intensywności ruchu. Upraszczając dość złożone zagadnienia można stwierdzić, iż celem naszych badań jest uzmysłowienie kolegom studentom kierunku budownictwa, ważności problematyki związanej z infrastrukturą drogową, a w szczególności wpływu warunków klimatycznych na nawierzchnie drogowe. 2. Materiały i metody Na każdą konstrukcję nawierzchni oddziałują następujące czynniki zewnętrzne: - obciążenie wywierane na powierzchnię jezdni przez koła pojazdów poruszających się z różną prędkością; istotna jest nie tylko wartość obciążenia, lecz także liczba i układ osi w pojeździe, liczba kół zlokalizowanych na osi oraz jego powtarzalność, zależna od natężenia ruchu, - temperatura, działająca na poszczególne warstwy, w szczególności na betonową warstwę nawierzchniową oraz podłoże gruntowe, - woda powierzchniowa i gruntowa, - inne czynniki, jak np. środki chemiczne używane do zimowego utrzymania, starzenie się materiałów itp. 2. W tym referacie ograniczono się do przeanalizowania tylko kilku z powyższych czynników ze względów ekonomiczno-sprzętowych (laboratoryjnych). Dobrze zaprojektowana i wykonana nawierzchnia betonowa cechuje się m. in. dużą nośnością i zdolnością przenoszenia obciążeń oraz dobrymi cechami eksploatacyjnymi - jasny kolor oraz niskie koszty utrzymania. Program badań obejmuje działania sprawdzające ścieralność oraz wytrzymałość na ściskanie. Próbki do badań, w postaci kostki o wymiarach 150x150x150 mm wykonano według poniższej receptury. Przygotowane kostki przechowywano w trzech różnych warunkach klimatycznych. Pierwsza część kostek była poddana bezpośredniemu działaniu zewnętrznych warunków klimatycznych (deszcz, mróz, śnieg, wahania temperatury itp.), drugą grupę kostek poddano tylko częściowo warunkom zewnętrznym (mróz, wahania temperatury), zaś trzecia część kostek była przechowywana w warunkach laboratoryjnych w celu porównania wyników. 1 A. Szydło, Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego Teoria, Wymiarowanie, Realizacja, POLSKI CEMENT Sp. z o.o. Kraków 2004, s. 13-16. 2 Tamże. 58
Wpływ warunków klimatycznych na nawierzchnie drogowe z betonu cementowego Dane wejściowe: Klasa betonu: Stopień wodoszczelności: Stopień mrozoodporności: B35 W8 F150 Nasiąkliwość betonu: n s < 5% Konsystencja: K4 Skład mieszanki betonowej na 1 m 3 : Nazwa materiału Źródło zaopatrzenia Ilość (kg) Objętość (dm 3 ) CEM I 42,5N HSR/NA Lafarge 355 116,4 Piasek zwykły 0/2 Lafarge 669 252,4 Grys bazaltowy 2/8 Lafarge 593 197,7 Grys bazaltowy 8/16 Lafarge 696 232,0 Chryso fluid Optima 175 Chryso 2,46 2,33 Chryso Air A10 Chryso 0,35 0,35 Woda Wodociągowa 158 158 Źródło: M. Hsino, J. Pasławski, Elastyczność w procedurach pielęgnacji betonu w dwóch skrajnych warunkach klimatycznych, Monografia XII Konferencji Doktorantów Wydziałów Budownictwa pt. BADANIA DOŚWIADCZALNE I TEORETYCZNE W BUDOWNICTWIE - Gliwice 2012, s. 553-561 3. Wyniki Kostki do badań według powyższej receptury były wykonane w maju ubiegłego roku i przechowywano je prawie przez rok we wspominanych wcześniej warunkach klimatycznych. Po czym wykonano badania wytrzymałości na ściskanie rys.1. 59
Wytrzymałość [MPa] Wpływ warunków klimatycznych na nawierzchnie drogowe z betonu cementowego Rys. 1. Widok próbki podczas badania wytrzymałości na ściskanie Wyniki przedstawiono w postaci wykresów. Grupa pierwsza w warunkach zewnętrznych rys. 2 60,00 50,00 Rys. 2. Wykres wytrzymałości na ściskanie 40,00 30,00 20,00 warunki zewnętrzne 10,00 0,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 60
Wytrzymałość [MPa] Wytrzymałość [MPa] Wpływ warunków klimatycznych na nawierzchnie drogowe z betonu cementowego Grupa druga - w warunkach pod zadaszeniem rys. 3 Rys. 3. Wykres wytrzymałości na ściskanie 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 Pod zadaszeniem Grupa trzecia- w warunkach laboratoryjnych rys.4. 60,00 50,00 Rys. 4. Wykres wytrzymałości na ściskanie 40,00 30,00 20,00 warunki laboratoryjne 10,00 0,00 0 1 2 3 4 61
Wytrzymałości [ MPa] Wpływ warunków klimatycznych na nawierzchnie drogowe z betonu cementowego Poniższy wykres rys. 5 przedstawia wyniki badań umożliwiających porównanie trzech grup między sobą. 60 50 Rys. 5. Wykres wytrzymałości na ściskanie - porównanie Wytrzymałość na ściskanie 40 30 20 10 Pod zadaszeniem warunki laboratoryjne warunki zewnętrzne 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Analizując powyższy wykres można zauważyć, iż kostki przechowywane w warunkach laboratoryjnych uzyskały najlepsze wyniki i to było do przewidzenia. Natomiast zaskoczeniem było to, że kostki poddane bezpośredniemu działaniu wszystkich czynników zewnętrznych (mróz, śnieg, wahania temperatur, deszcz itp.) uzyskały lepsze wyniki aniżeli kostki przechowywane pod zadaszeniem, wynik ten należy tłumaczyć tym, że kostki przechowywane na zewnątrz miały ułatwiony dostęp do wilgoci znajdującej się w powietrzu co spowodowało prawidłowy przebieg hydratacji w mieszance betonowej podczas dojrzewania. Zakończenie Jedną z istotnych przyczyn destrukcji betonu jest wystąpienie cyklicznego zamarzania i odmarzania w okresie zimowym, co niesie za sobą zmniejszenie odporności betonu. Poprawa mrozoodporności jest okupiona spadkiem (czasem nawet 30%) wytrzymałości na ściskanie. Celem sztuki budowlanej jest znalezienie właściwego kompromisu w wielowymiarowej przestrzeni: parametry materiałowe, parametry technologiczne, użyteczność betonu właściwości technologiczne mieszanki betonowej i właściwości techniczne betonu. 62
Wpływ warunków klimatycznych na nawierzchnie drogowe z betonu cementowego Bibliografia 1. Szydło A., Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego Teoria, Wymiarowanie, Realizacja, POLSKI CEMENT Sp. z o.o. Kraków 2004, s. 13-16. 2. Hsino M., Pasławski J., Elastyczność w procedurach pielęgnacji betonu w dwóch skrajnych warunkach klimatycznych, Monografia XII Konferencji Doktorantów Wydziałów Budownictwa pt. BADA- NIA DOŚWIADCZALNE I TEORETYCZNE W BUDOWNICTWIE - Gliwice 2012, s. 553-561 63