Pobierz Metody projektowania i ocena przydatności betonu ... i więcej Egzaminy w PDF z Inżynieria tylko na Docsity!
Metody projektowania i ocena przydatności
betonu wałowanego do budowy dróg w Polsce
RolleR CompaCted ConCRete mix design and usefulness foR
Road ConstRuCtion in poland
Streszczenie
W referacie autorzy przedstawili wytyczne i metody projektowania mieszanki betonu wa- łowanego na podstawie wytycznych amerykańskich. Zaprezentowali własne doświadcze- nia i wyniki z procesu projektowania składu mieszanki betonu wałowanego w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych. Zdali relacje z budowy pierwszego w Polsce odcinka doświadczalnego drogi lokalnej w technologii betonu wałowanego zrealizowanego przez firmę Harat Przedsiębiorstwo Drogowo–Budowlane Sp. J. oraz przybliżyli technologię wykonywania nawierzchni. Na podstawie zdobytych doświadczeń oraz relacji z budowy podobnych dróg w USA, przedstawili rozważania nad przydatnością tej technologii do budowy dróg w Polsce pod kątem trwałości, jakości wykonywanej nawierzchni, zalet technologicznych i kosztów budowy. Przedstawili proponowany zakres zastosowania technologii RCC w Polsce oraz jej zalety.
Abstract
In this paper the authors present guidelines and concrete mix design method for Roller Compacted Concrete. Own experiences and results of the process of design RCC concrete mixture in the laboratory and industrial applications are shown. Technical information about designing concrete for construction of the first Polish experimental section of a local road made of RCC concrete by Harat Przedsiębiorstwo Drogowo-Budowlane Sp.J., was provided. On the basis of experience from realizations in the U.S. presented in publications and own precursory experiences, a discussion was lead on the usefulness of this technology for road construction in Poland, in terms of sustainability and improving of surface qual- ity. The proposed scope of RCC technology use in Poland and its advantages were shown.
Konrad Harat
Piotr Woyciechowski
mgr inż. Konrad Harat – Harat Przedsiębiorstwo Drogowo–Budowlane Sp. J.
dr inż. Piotr Woyciechowski – Politechnika Warszawska, Zakład Inżynierii Materiałów Budowlanych
Konrad Harat, Piotr Woyciechowski
1. Wstęp
Prekursorami w zastosowaniu technologii betonu wałowanego (RCC – Roller Compacted Concrete ) i jej rozwoju są Stany Zjednoczone i Kanada. Pierwsze nawierzchnie z betonu wałowanego w tych krajach powstały w latach 70, chociaż U.S. Army Corps of Engine- ers prowadziło próby z tego typu nawierzchnią już od roku 1942. Począwszy od lat 80, nawierzchnie z betonu wałowanego w tych krajach są stosowane na szeroką skalę. Z be- tonu wałowanego wykonuje się nie tylko nawierzchnię dróg, lecz również nawierzchnię placów przeładunkowych, płyty lotnisk, jak również zapory wodne [8, 9, 10]. W Polsce technologia betonu wałowanego jest mało znana i niestosowana. Technologia ta łączy w sobie zalety eksploatacyjne tradycyjnych nawierzchni betonowych z zaletami techno- logicznymi nawierzchni asfaltowych, takimi jak brak konieczności deskowania krawędzi czy możliwość poruszania się po świeżo wykonanej nawierzchni, oraz charakteryzuje się niższym kosztem budowy, w porównaniu do tradycyjnych nawierzchni z „betonu lane- go” [4]. Powyższe zalety czynią tę technologię szczególnie atrakcyjną w zastosowaniu do budowy dróg lokalnych, placów postojowych czy nawierzchni przemysłowych. Niniejszy referat poświęcony jest upowszechnieniu technologii RCC w Polsce.
2. Charakterystyka betonu wałowanego
Beton wałowany charakteryzuje się małą zawartością wody zarobowej. Świeża mieszanka betonowa przypomina konsystencją wilgotny grunt. Skład betonu wałowanego w porów- naniu z tradycyjnym ma wyższy punkt piaskowy, wysoką zawartość w kruszywie frakcji pylastych (< 0,075 mm) od 2 do 8 % i nieco mniejszą zawartość cementu przy porównywal- nych klasach wytrzymałości. Typowa zawartość cementu w betonie wałowanym wynosi 240 – 320 kg/m^3 , wody: 90 – 120 kg/m^3 , a wskaźnik w/c znajduje się w przedziale od 0, do 0,45. Do produkcji betonu można używać domieszek regulujących czas wiązania, oraz plastyfikatorów do betonów wilgotnych, nie używa się natomiast domieszek napowietrza- jących, ze względu na zbyt małą zawartość wody niezbędną do jej prawidłowego działania. Nawierzchnie drogowe z betonu wałowanego wykonuje się za pomocą typowych rozkładarek do asfaltu, a zagęszcza walcami wibracyjnymi o masie powyżej 10 t [5]. Ze względu na problem w uzyskaniu idealnie równej powierzchni drogi z betonu wałowane- go jego typowym zastosowaniem są drogi lokalne i dojazdowe ( low spead road ), parkingi oraz place przemysłowe. Główną zaletą nawierzchni z betonu wałowanego jest niski koszt budowy, przy dużej trwałości i niskich kosztach utrzymania. Do wykonywania nawierzchni z betonu wałowanego nie trzeba ustawiać szalunków, wykonywać zbrojenia, dyblować szczelin dylatacyjnych czy teksturować powierzchni. Z tego powodu wykonywanie nawierzchni z betonu wałowanego jest prostsze technologicznie i szybsze w wykonaniu od nawierzchni z tradycyjnego betonu.
3. Wytyczne i metody projektowania RCC
3.1. Założenia ogólne Według amerykańskich wytycznych, metody doboru optymalnego składu dla betonu wałowanego opierają się głównie na metodach doświadczalnych. Dwiema najbardziej
Konrad Harat, Piotr Woyciechowski
Tab. 1. Zalecane ilości wody, piasku i zaprawy dla różnych rodzajów betonu wałowanego według USACE [7]; wyróżniono zalecenia do betonu wałowanego nawierzchni drogowych.
Typowa zawartość wody, piasku i zaprawy oraz współczynnik objętościowy zaczynu do zaprawy, a także ilość wolnej przestrzeni dla mieszanek betonu wałowanego o różnym maksymalnym uziarnieniu. Maksymalne uziarnienie Zawartość 19 mm 50 mm 75 mm Średnia Zakres Średnia Zakres Średnia Zakres Zawartość wody, kg/m a) zmod. Vebe < 30 s b) zmod. Vebe > 30 s
Zawartość piasku, % zawartość w stosunku całości stosu okruchowego a) kruszywo łamane (grysy) b) kruszywo naturalne (żwiry)
Zawartość zaprawy, % objętości mieszanki a) kruszywo łamane (grysy) b) kruszywo naturalne (żwiry)
Zaczyn, stosunek objętościowy zaczynu do zaprawy 0,
Zawartość wolnej przestrzeni, % 1,5 0,1-4,2 1,1 0,2-4,1 1,1 0,5-3,
Rys. 1. Przeciętna wytrzymałość na ściskanie betonu wałowanego, w zależności od ilości ce- mentu wraz popiołami lotnymi [7]
Po dobraniu wstępnego składu betonu wałowanego należy sprawdzić jego urabial- ność według zmodyfikowanej metody VeBe. Do badania urabialności wykorzystuje się zmodyfikowany aparat Vebe, przy czym modyfikacja polega na wprowadzeniu dodatko- wego obciążenia przy wibrowaniu, co symuluje warunki wibrowałowania. Do cylindra aparatu Vebe układa się luźno mieszankę betonu wałowanego następnie ustawia się obciążenie o masie 13,3 kg lub 22,7 kg. Dla betonów wałowanych wykorzystywanych do
Metody projektowania i ocena przydatności betonu wałowanego ...
budowy masywnych tam, za odpowiednią urabialność uważa się czas wibracji od 20 s do 30 s przy obciążeniu 13,3 kg, natomiast dla betonów wałowanych przeznaczonych do budowy nawierzchni drogowych czas od 30 s do 40 s przy obciążeniu 22,7 kg [7, 11]. Miarą urabialności jest czas od rozpoczęcia wibracji do pełnego zagęszczenia mieszanki betonu wałowanego. Beton uważa się za zagęszczony gdy pierścień obciążający w pełni przylega do powierzchni zagęszczanego betonu, a pomiędzy pierścień i ściankę cylindra dostała się zaprawa z betonu. Po wykonaniu badania urabialności, w zależności od jego wyniku, dokonuje się korekty ilości wody. Następnie formuje się próbki do badania wytrzymałości na ściska- nie według procedury opisanej w ASTM C 1176 lub ASTM C 1435 [N3, N4], by określić rzeczywistą wytrzymałość betonu i w zależności od wyników dokonać ewentualnych kolejnych poprawek w składzie.
3.3 Metoda projektowania zalecana przez ACI Metoda ta polega na ustaleniu relacji pomiędzy gęstością objętościową szkieletu za- gęszczonej mieszanki betonowej (badaną według zmodyfikowanej metody Proctora) a jej wilgotnością. Dla tak określonej relacji wyznacza się wilgotność optymalną, której odpowiada maksymalna gęstość objętościowa szkieletu mieszanki betonowej. W metodzie tej dobiera się skład kruszywa według krzywych granicznych zalecanych przez wytyczne ACI (rys. 3) [6].
Rys. 2. Aparat Vebe do badania urabialności betonu wałowanego [11]
Metody projektowania i ocena przydatności betonu wałowanego ...
[6], a ilość wody za pomocą badania według zmodyfikowanej metody Proctora [N1, N2] poprzez ustalenie wilgotności optymalnej (rys 4), która wyniosła od 5,3% do 5,8% dla pró- bek mieszanek betonowych z odsianym kruszywem powyżej 10 mm. Po skorygowaniu ze względu na stosunek suchej masy kruszywa odsianego (> 10 mm) do suchej masy próbek, wilgotność optymalna dla poszczególnych mieszanek betonu wałowanego wyniosła od 4,1% do 4,5% co dało jedynie od 95 do 103 l wody na 1 m3 mieszanki.
Rys. 4. Zależność gęstości objętościowej szkieletu mieszanki betonowej od jej wilgotności (dla próbek mieszanki z odsianym kruszywem > 10 mm), aproksymacja parabolą ρ’ds.(w’) [1]
Tabela 2. Zestawienie składów mieszanek betonowych [1]
Składnik Skład [kg/m^3 ] Mieszanka A Mieszanka B Mieszanka C Piasek 0/2 mm 688 665 641 Żwir 2/8 mm 511 497 476 Żwir 8/16 765 742 714 Mączka wapienna 81 79 76 Cement CEM II/B-V 32,5 R 266 328 382 Woda 95 97 103 Plastyfikator 1,36 1,70 1, RAZEM [kg] 2406 2408 2392
W celu zbadania parametrów wytrzymałościowych zaprojektowanych składów mie- szanek betonu wałowanego, przygotowano próbki walcowe, o średnicy 150 mm i wyso- kości 300 mm. Formowanie próbek wykonano zgodnie z procedurą opisaną przez ASTM C1176-1992: Standard Practice for Making Roller – Compacted Concrete in Cylinder Molds Using a Vibrating Table [N3]. Dla zagęszczonych próbek uzyskano wskaźniki zagęszczenia Is od 0,91 do 0,98. Próbki uważa się za prawidłowo zagęszczone gdy osiągną minimalny wskaźnik zagęszczenia Is = 0,98. Dla większości próbek nie udało się osiągnąć wymaga- nego minimalnego wskaźnika zagęszczenia. Okazało się, że wykonanie prawidłowych
Konrad Harat, Piotr Woyciechowski
próbek betonu wałowanego w warunkach laboratoryjnych jest trudne i skomplikowane. Wykonane próbki poddano badaniom na wytrzymałość przy ściskaniu oraz na wytrzy- małość na rozciąganie przy rozłupywaniu.
Rys. 5. Średnia wytrzymałość na ściskanie dla badanych mieszanek przy maksymalnych średnich wskaźnikach zagęszczenia jakie osiągnięto podczas badań oraz wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu dla badanych mieszanek przy maksymalnych średnich wskaźnikach zagęsz- czenia jakie osiągnięto podczas badań [1]
Na podstawie przeprowadzonych badań laboratoryjnych sformułowano następujące wnioski:
- proces projektowania mieszanek betonu wałowanego jest żmudny i czasochłonny; metody doświadczalne projektowania mieszanki betonu wałowanego wymagają w procesie projektowania przeprowadzenia wielu czynności badawczych i wykonania wielu próbek;
- trudne jest w warunkach laboratoryjnych odwzorowanie sposobu zagęszczania betonu wałowanego jakiemu jest on poddawany na budowie;
- dodanie domieszek poprawiających zwilżanie cząstek wodą znacznie poprawia ura- bialność i podatność na zagęszczanie betonu wałowanego;
- zbyt duża ilość cementu w składzie betonu wałowanego pogarsza jego urabialność i podatność na zagęszczanie;
- właściwe zagęszczenie mieszanki betonu wałowanego ma bardzo istotny wpływ na jego parametry wytrzymałościowe. W drugim etapie prac badawczych przystąpiono do badań w skali przemysłowej. Do wykonania mieszanki betonu wałowanego założono użycie takich samych materiałów jakich używa się do produkcji pozostałych betonów w wytwórni w której prowadzono badania, tj.: piasek niepłukany 0/2, żwir płukany 2/8, żwir płukany 8/16, cement CEM II/B-V 32,5R. Do wykonania mieszanki betonu wałowanego założono użycie wody z recyklingu. Na podstawie systematycznie prowadzonej kontroli produkcji betonów w wytwórni zgodnie z normą PN-EN 206-1 wytypowano trzy składy już produkowanych betonów o konsystencji wilgotnej, które składem były bardzo zbliżone do wymagań stawianych betonowi wałowanemu. Ponadto, w wyniki systematycznych badań wy-
Konrad Harat, Piotr Woyciechowski
Tak ustalony skład mieszanki betonu wałowanego charakteryzował się dobrymi właściwościami technologicznymi. Mieszanka betonu wałowanego była podatna na za- gęszczanie, a po zagęszczeniu świeża nawierzchnia utrzymywała walec na powierzchni, nie tworzyły się koleiny, a nawierzchnia nie rozchodziła się na boki. Nawierzchnia drogi po zagęszczeniu charakteryzowała się szczelną i estetyczną fakturą. Po 3 miesiącach od wykonania nawierzchni pobrano 5 odwiertów o średnicy 172 mm i wysokości 150 mm w celu określenia wytrzymałości, gęstości objętościowej i nasiąkli- wości betonu w odcinku doświadczalnym.
Tabela 3. Wyniki badań próbek z odwiertów odcinka doświadczalnego [2, 3, 4]
Właściwość Beton wałowany C25/ gęstość (w stanie naturalnej wilg.) [kg/dm3] 2, nasiąkliwość [%] 4, średnia wytrzymałość na ściskanie [MPa] 31,
Otrzymane wyniki dla betony wałowanego są prawidłowe i spełniają wymagania stawiane betonom drogowym z przeznaczeniem na drogi lokalne odnośnie wytrzymałości i nasiąkliwości [12, 13], tj. klasa wytrzymałości na ściskanie C25/30 i nasiąkliwość poniżej 5%. Należy podkreślić, że przedstawione powyżej wyniki mają charakter poglądowy. Autor nie uważa ich za w pełni satysfakcjonujące. Planuje dalsze badania i modyfikacje przedstawionego składu betonu wałowanego w celu podniesienia, w sposób ekonomiczny, wytrzymałości na ściskanie o jedną klasę i obniżenia nasiąkliwości do poziomu poniżej 4%.
Rys. 7. Odcinek doświadczalny nawierzchni z betonu wałowanego w trakcie budowy (fot. własna)
5. Podsumowanie
Jak pokazały wyniki badań oraz pierwsze doświadczenia w budowie nawierzchni z betonu wałowanego w Polsce, technologia ta okazuje się świetnym rozwiązaniem do budowy dróg lokalnych, pod względem jakości i trwałości, jak również kosztów budowy. Firma Harat
Metody projektowania i ocena przydatności betonu wałowanego ...
jest przekonana, że wdrażana przez nią nowa technologia wykonywania nawierzchni betonowych znajdzie swoich odbiorców. W kolejnych latach planuje się dalsze inwestycje w rozwój tej technologii, głównie pod kątem zwiększenia wydajności i jakości wykony- wanych nawierzchni, jak również obniżenia kosztów budowy. W chwili obecnej firma Harat zamierza skierować swoją ofertę wykonywania nawierzchni z betonu wałowanego głównie do jednostek gmin, nadleśnictw i inwestorów indywidualnych. W szczególności proponuje wykonywanie nawierzchni z betonu wałowanego jako bardziej ekonomiczne i trwalsze rozwiązanie alternatywnie do:
- słabych nawierzchni asfaltowych dróg lokalnych,
- nawierzchni żwirowych uczęszczanych dróg gruntowych,
- nawierzchni z płyt betonowych prefabrykowanych,
- nawierzchni dróg i parkingów z kostki brukowej betonowej.
W kolejnych latach firma Harat planuje dalsze badania na technologią betonu wało- wanego. Technologia ta daje ogromne możliwości zastosowania, a rozwój tej technologii na ogromną skalę, w takich krajach jak Stany Zjednoczone i Kanada, pokazuje jej potencjał i zalety.
Niniejszy referat został opracowany w ramach umowy partnerskiej pomiędzy Harat Przedsiębiorstwo Drogowo – Budowlane Sp. J. a Instytutem Inżynierii Budowlanej Politechniki Warszawskiej (praca statutowa nr 504 P 1088 1207).
Literatura:
[1] K. Harat, Analiza możliwości zastosowania betonu wałowanego do nawierzchni dróg lokalnych, Politechnika Warszawska, Warszawa 2009. [2] P. Woyciechowski, K. Harat, Beton wałowany jako nawierzchnia dróg lokalnych, Materiały Budowlane 9/2011. [3] P. Woyciechowski, K. Harat, Nawierzchnie dróg o kategorii ruchu KR1-KR2 z betonu wibrowałowa- nego, Budownictwo i Inżynieria Środowiska 2(2011). [4] P. Woyciechowski, K. Harat, Nawierzchnia drogowa z betonu wałowanego, Budownictwo Technologia Architektura 1/2012. [5] Compaction of Roller-Compacted Concrete, praca zbiorowa pod kierunkiem Richard E. Miller, Ame- rican Concrete Institute, Farmington Hills 2000. [6] Report on Roller-Compacted Concrete Pavements, praca zbiorowa pod kierunkiem Shiraz D. Tayabji, American Concrete Institute, Farmington Hills 1995. [7] Roller Compacted Concrete Pavements Design and Construction, U.S. Army Corps of Engineers, Washington 1995. [8] Luhr D., RCC Application for Pavements, Portland Cement Association, 2005. [9] Thomason R., Roller Compacted Concrete Pavements, Savako, 2001. [10] RCC Newsletter, Alaska Landslide Stabilized, Portland Cement Association, spring 2007. [11] Roller-Compacted Mass Concrete, praca zbiorowa pod kierunkiem Kenneth D. Hannsen, American Concrete Institute, Farmington Hills 1999. [12] A. Szydło, Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego, Polski Cement Sp. z o.o., Kraków 2004. [13] A. Szydło, P. Mackiewicz, Nawierzchnie betonowe na drogach gminnych, Polski Cement Sp. z o.o., Kraków 2005.
