Europejskie wymagania na beton napowietrzony w klasie

DROGOWNICTWO, nr 3/2005, 86-88
Europejskie wymagania na beton napowietrzony w klasie środowiska XF
Michał A. Glinicki, doc. dr hab. inż.
Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN - Warszawa
Wstęp
Betonowe nawierzchnie dróg i elementy drogowych konstrukcji inżynierskich należą do
obiektów narażonych na silnie agresywne oddziaływanie mrozu i ewentualnie środków
odladzających. Takie oddziaływanie środowiska na beton sklasyfikowano w normie PN-EN
206-1: 2003 [1] jako klasę ekspozycji XF - szczegółowe wyjaśnienie zasad stosowania tej
normy do betonu podano w obszernym komentarzu [2], opracowanym pod kierunkiem
profesora L.Czarneckiego.
W niedawno uchwalonej normie PN-B-06265: 2004 [3] , stanowiącej krajowe uzupełnienia
normy PN-EN 206-1: 2003, nie znalazły się postulowane uzupełnienia wymagań na beton w
klasie środowiska XF (por. [4]). Przypomnę w skrócie, że chodziło o wprowadzenie
dodatkowych wymagań na beton napowietrzony, ukierunkowanych na zapewnienie wysokiej
trwałości betonu w środowisku oddziaływania mrozu i ewentualnie soli odladzających.
Postulowane uzupełnienie dotyczyło wymagania określonej charakterystyki rozkładu porów
w stwardniałym betonie według Tablicy 5 normy PN-EN 934-2: 2002 [5], tj. ograniczenia
maksymalnego wskaźnika rozmieszczenia porów
L
do 0,20 mm.
Zespół Autorów krajowego arkusza normy odrzucił postulowane uzupełnienie, stwierdzając,
że „badanie rozkładu porów jest wymagane normą PN-EN 934-2:2002 dla oceny skuteczności
działania domieszki napowietrzającej; nie ma uzasadnionej potrzeby rutynowego
kontrolowania tej właściwości przez producenta betonu – w odróżnieniu od wykonawcy prac
budowlanych lub inwestora”. W ten sposób przyznano słuszność postulowanych uzupełnień,
wyłączając je jednak z zakresu tej normy. Komu w takim razie ma służyć uchwalona norma,
czy tylko producentowi betonu, a nie inwestorowi i wykonawcy?
Porównanie wymagań normowych
Warto w tym kontekście przyjrzeć się innym krajowym arkuszom normalizacyjnym
uzupełniającym normę EN 206-1 w państwach europejskich o klimacie zbliżonym do klimatu
1
DROGOWNICTWO, nr 3/2005, 86-88
Polski. Wybrałem tu normy opracowane w Danii, Austrii i Niemczech (o ile się nie mylę, nasi
południowi sąsiedzi nie opracowali jeszcze analogicznych norm krajowych). W tablicy 1
zestawione są wymagania dotyczące napowietrzenia betonu w klasie XF1 – XF4 według
normy europejskiej EN 206-1 oraz następujących norm krajowych uzupełniających normę
EN-206-1:
- norma austriacka ÖNORM B 4710-1 (wydana w 2002 roku, [6]),
- norma duńska DS 2426 (wydana w 2004 roku, [7]),
- norma niemiecka DIN 1045-2 (wydana w 2001 roku, [8]),
- norma polska PN-B-06265 „Krajowe uzupełnienia PN-EN 206-1 Beton - Część 1:
Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność” (uchwalona w 2004 roku, [3]).
Jak widać, tylko w normie polskiej nie wprowadzono żadnych uzupełnień w omawianym
zakresie – obowiązujące wymaganie minimalnej zawartości powietrza w mieszance,
określonej metodą ciśnieniową, nie dotyczy bezpośrednio struktury porów w stwardniałym
betonie. Według przyjętych, bardzo liberalnych kryteriów zgodności, wyniki pomiarów
zawartości powietrza w napowietrzanej mieszance betonowej powinny mieścić się w
szerokich granicach tj. od 3,5% aż do 9%.
W normie duńskiej i austriackiej wprowadzono szczegółowe wymagania dotyczące
mikrostruktury porów powietrznych w betonie, określane przy użyciu metody badań według
normy PN-EN 480-11 [9]. Wymaganą strukturę porów powietrznych opisano albo
maksymalnym wskaźnikiem rozmieszczenia porów
L
i minimalną zawartością powietrza w
stwardniałym betonie A albo minimalną zawartością mikroporów A300 i maksymalnym
wskaźnikiem rozmieszczenia porów
L . Jest to uzasadnione aktualnym stanem wiedzy i
techniki. W normie duńskiej występuje alternatywne wymaganie na dobrą odporność betonu
na złuszczenia powierzchniowe („dobra” według definicji z normy szwedzkiej – na podstawie
badania metodą Boraas). Wymaganie właściwej struktury napowietrzenia i wymaganie dobrej
odporność na złuszczenia powierzchniowe są tu traktowane zamiennie.
Niemiecka norma DIN 1045-2 nie zawiera szczegółowych wymagań odnośnie struktury
porów w betonie napowietrzonym, ale wymagana zawartość powietrza w mieszance
betonowej zmienia się od 3,5 do 5,5 % w zależności od uziarnienia kruszywa. Podobne
wymagania są w Polsce znane na podstawie dawnej normy „Beton zwykły” PN - B- 06250:
2
DROGOWNICTWO, nr 3/2005, 86-88
1988. Trudno jest odpowiedzieć na pytanie, dlaczego norma niemiecka nie zawiera wymagań
dotyczących struktury porów w stwardniałym betonie – jest to zapewne kwestia tradycji,
praktyki, a także znaczenia innych dokumentów o charakterze normalizacyjnym. Mam tu na
myśli wytyczne Niemieckiego Federalnego Ministerstwa Komunikacji w zakresie budowy
betonowych nawierzchni dróg (ZTV Beton-StB 01). Zarówno w wersji wytycznych z roku
2001 [10], jak też w wersji poprzedniej z roku 1993, wymagania na beton nawierzchniowy
napowietrzony przy równoczesnym stosowaniu domieszki napowietrzającej i
uplastyczniającej/upłynniającej dotyczą wskaźnika rozstawu porów ≤ 0,20 mm oraz
zawartości mikroporów ≥ 1,5%. W przypadku gdy zawartości mikroporów ≥ 1,8% dopuszcza
się obniżenie wymaganej zawartości powietrza w mieszance betonowej z 5,0% do 4,0%
(średnia dzienna). Zatem pomimo braku w normie DIN 1045-2 szczegółowych wymagań
dotyczących struktury napowietrzenia, obowiązujące w Niemczech szczegółowe warunki
techniczne dotyczące przynajmniej dróg z betonu zawierają takie wymagania. Znane mi
niemieckie firmy budowlane, operujące w Polsce w obszarze budowy dróg, są
przyzwyczajone do takich wymagań i z łatwością produkują i wbudowują mieszankę betonu
uzyskując właściwą strukturę porów. Warto, aby również firmy krajowe nabrały takiej finezji.
Obok wymagań dotyczących napowietrzenia, wspomniane normy formułują również
wymagania na składniki betonu i ich proporcje (kruszywo, cement, wskaźnik w/c).
Omówienie wymagań recepturowych nie mieści się w formule tego artykułu, aczkolwiek
warto może zwrócić uwagę na rodzaje cementów – oprócz CEM I - zalecanych w środowisku
XF. Na przykład w klasach środowiska XF2 i XF4 norma austriacka kwalifikuje cement CEM
II A-V jako „zalecany”, natomiast norma niemiecka kwalifikuje ten cement jako
„niezalecany”. W mojej ocenie taka różnica oceny przydatności danego rodzaju cementu jest
uzasadniona wyższymi wymaganiami dotyczącymi napowietrzenia, a konkretnie
wymaganiami właściwej mikrostruktury porów w stwardniałym betonie. Nie jest bowiem
oczywiste, że rozkład porów powietrznych uzyskanych w wyniku zastosowania domieszki
napowietrzającej będzie właściwy: certyfikacja domieszek napowietrzających odbywa się na
podstawie badań betonów wykonanych z CEM I, a nie z cementów mieszanych.
3
DROGOWNICTWO, nr 3/2005, 86-88
Tablica 1 Wymagania dotyczące napowietrzenia betonu według EN 206-1 i krajowych norm
uzupełniających w Polsce, Austrii, Danii i Niemczech oraz wg zaleceń ZTV Beton-StB 01
Norma
Norma EN 206-1
Norma polska
PN-B-06265
Norma austriacka
ÖNORM B 4710-1
Norma duńska
DS 2426
Wymaganie
min. zawartość powietrza w
mieszance [%]
bez zmiany
min. zawartość powietrza w
mieszance [%]
min. zawartość mikroporów
A300 [%] wg EN 480-11
max. wskaźnik
rozmieszczenia L [mm]
wg EN 480-11
min. zawartość powietrza w
mieszance [%]
min. zawartość powietrza A
w stwardniałym betonie [%]
max. wskaźnik
rozmieszczenia L [mm]
odporność betonu na
złuszczenia powierzchniowe
Norma niemiecka
DIN 1045-2
Niemieckie
Federalne
Ministerstwo
Komunikacji
ZTV Beton-StB 01
Klasa ekspozycji mrozowej
XF1
XF2
XF3
XF4
-
4,0
4,0
4,0
bez
zmiany
-
bez
zmiany
2,5
bez
zmiany
2,5
bez
zmiany
4,0
-
1,0
1,0
1,8
-
-
-
0,18
-
4,5
4,5
4,5
-
3,5
3,5
3,5
-
0,20
0,20
0,20
-
dobra
dobra
dobra
-
3,5% przy dmax= 63mm
4,0% przy dmax= 32mm
4,5% przy dmax= 16mm
5,5% przy dmax= 8mm
min. zawartość powietrza w
mieszance [%]
beton z domieszką
napowietrzającą i
uplastyczniającą lub
upłynniającą
min. zawartość powietrza w
mieszance [%] (średnia
dzienna)
min. zawartość mikroporów
A300 [%]
max. wskaźnik
rozmieszczenia
L
beton na nawierzchnie dróg
5,0
4,0
1,5
1,8
0,20
0,20
[mm]
Oznaczenia:
L - wskaźnik rozmieszczenia porów w stwardniałym betonie wg PN-EN 480-11
A - zawartość powietrza w stwardniałym betonie wg PN-EN 480-11
A300 - zawartość mikroporów poniżej 0,3mm w stwardniałym betonie wg PN-EN 480-11
4
DROGOWNICTWO, nr 3/2005, 86-88
Podsumowanie
Charakterystyczną tendencją nowych europejskich wymagań normowych na betony
napowietrzone jest żądanie określonego rozkładu porów powietrznych w betonie zamiast
wymagania całkowitej zawartości powietrza w mieszance. Podobne wymagania o
charakterze normatywnym wprowadzane są także w niektórych stanach w USA i w Ontario w
Kanadzie. Jest to uzasadnione aktualnym stanem wiedzy: nie wystarczy zastosować
odpowiednią kompozycję betonu, aby zapewnić mrozoodporność – dopiero stwierdzenie, że
mikrostruktura betonu jest właściwa, pozwala przewidywać mrozoodporność (Rys.1). W
Polsce jak dotąd jedynie Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad wprowadziła do
ogólnych specyfikacji technicznych na nawierzchnie betonowe wymaganie właściwego
rozkładu porów powietrznych w stwardniałym betonie napowietrzonym: przyjęto
ograniczenie maksymalnego wskaźnika rozmieszczenia porów
L
do 0,20 mm [11]. Jak na
razie, odcinki nawierzchni drogowych z betonu buduje się na podstawie szczegółowych
specyfikacji opracowanych według poprzedniej wersji ogólnych specyfikacji technicznych.
Wdrożona w IPPT PAN metoda badania struktury porów powietrznych w stwardniałym
betonie [12] została już zastosowana na kilkunastu budowach w kraju w latach 2001-2004, a
wyniki badań przedstawiono w [4] i [13]. Uzyskano m.in. świadectwo dobrej jednorodności,
stałej wysokiej jakości produkcji mieszanki betonowej i wykonania nawierzchni na odcinku
drogi krajowej, autostrady, na drogowym przejściu granicznym i innych nawierzchniach;
stwierdzono np. że pęcherzyki powietrza, głównie o średnicy poniżej 0,5mm, są
rozmieszczone równomiernie i blisko siebie; wskaźnik rozmieszczenia porów w betonie
wynosił od 0,11 do 0,16mm, a zawartość mikroporów przekraczała 1,8%, sięgając 3,4%. A
zatem dla doświadczonych wykonawców nowe wymagania na beton napowietrzony nie
powinny sprawiać kłopotów, a w wyniku wdrożenia tych wymagań do praktyki można
oczekiwać ogólnej poprawy trwałości betonów w środowisku oddziaływania mrozu.
Cytowane publikacje, normy i zalecenia
[1] EN 206-1 – w Polsce jako PN-EN 206-1: 2003 Beton – Część 1. Wymagania,
właściwości, produkcja, zgodność
[2] Beton według normy PN-EN 206-1 – komentarz, praca zbiorowa pod kier. profesora
L.Czarneckiego, PKN i Polski Cement, Kraków 2004
[3] PN-B-06265 „Krajowe uzupełnienia PN-EN 206-1 Beton - Część 1: Wymagania,
właściwości, produkcja i zgodność” (projekt 2004)
5
DROGOWNICTWO, nr 3/2005, 86-88
[4] Glinicki M.A., Właściwe i patologiczne napowietrzanie betonu, BudownictwoTechnologie –Architektura, nr 2/2004, 37-40
[5] PN-EN 934-2: 2002 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu - Domieszki do betonu.
Definicje i wymagania
[6] ÖNORM B 4710-1:2002 Beton - Teil 1: Festlegung, Herstellung, Verwendung und
Konformitätsnachweis (Regeln zur Umsetzung der ÖNORM EN 206-1)
[7] DS 2426:2004 Beton - Materialer - Regler for anvendelse af EN 206-1 i Danmark
[8] DIN 1045-2: 2001 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton - Teil 2: Beton;
Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität
[9] PN-EN 480-11: 2000 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Oznaczanie
charakterystyki porów powietrznych w stwardniałym betonie
[10] ZTV Beton – StB 01 Bundesministerium fur Verkehr, Abteilung Straßenbau, Zusätzliche
Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus
Beton, Ausgabe 2001, FGSV Verlag, Köln 2001, s.80
[11] Ogólne Specyfikacje Techniczne D- 05.03.04 „Nawierzchnia betonowa”. GDDKiA ,
Warszawa 2003
[12] Załocha D., Kasperkiewicz J., Zastosowanie ilościowej analizy obrazu do oceny
struktury porów w betonie napowietrzanym, DROGI i MOSTY, nr 2/2002, 107-118
[13] Glinicki A.M., Glinicki M.A., Mikulicki I., Ocena napowietrzenia betonów w
nawierzchniach jezdni i parkingów, DROGI i MOSTY, nr 1/2004, 5-23
Rys.1 Przykład patologicznej struktury porów: niejednorodność rozmieszczenia w zaczynie,
nadmierna koncentracja w warstwie przejściowej między kruszywem i zaczynem (w
konsekwencji - obniżenie wytrzymałości betonu i niedostateczna mrozoodporność)
6