Zaniżanie nasiąkliwości prefabrykatów betonowych, szczególnie stosowanych do nawierzchni brukowych, prowadzi do znacznego ograniczenia zdolności wchłaniania wody.
Przedstawiciel producenta, mający kontakt z zapisami SST, przedkładanymi mu przed złożeniem oferty na dostawę prefabrykatów, betonowej galanterii drogowej, niejednokrotnie się spotkał z problemem rozbieżności w zapisach normowych i szczegółowych specyfikacji technicznych. Wśród wymaganych parametrów techniczno-użytkowych w zdecydowanej większości przypadków tzw. wysokich elementów (krawężnik, obrzeże i opornik) parametr nasiąkliwości zaniżany jest z wartości 6% do 4%. Dzieje się to za przyzwoleniem bądź nawet zaleceniem jednostek nadzorujących procesy inwestycyjne w Polsce z ramienia głównego inwestora.
Aktualne normy [1, 2, 3] definiują graniczną nasiąkliwość betonu na poziomie 6%. Podyktowane jest to wieloma względami, o których autor w niniejszym tekście nie chciałby się rozwodzić ze względu na bogatą wiedzę w literaturze fachowej. Postara się jednak w prosty i w miarę wiarygodny sposób przedstawić:
– wady metodyki określania parametru nasiąkliwości, a tym samym możliwej, w świetle przepisów, ingerencji w oczekiwane wyniki;
– brak korelacji między wynikami z różnych próbek, pobranych z tego samego betonu;
– zalety powierzchni betonowych o „niezaniżonej” nasiąkliwości, pod warunkiem spełnienia zapisów normowych.
Wymogi normowe
Normy [1, 2, 3] zawierają w załącznikach E szczegółowe wytyczne dotyczące metodyki badania laboratoryjnego nasiąkliwości betonowych prefabrykatów drogowych. Przygotowane zgodnie z nimi próbki powinny mieć wagę od 2,5 kg do 5,0 kg. W przypadku elementów większych należy je pionowo „przeciąć wzdłuż całej wysokości w celu uzyskania próbki o masie nie większej niż 5,0 kg”. Brak w tym miejscu zapisu o jednej z ważniejszych cech próbek badawczych w tym badaniu, mającej wpływ na nasiąkliwość, a mianowicie ich kształcie.
Fot. Tempo wysychania – wielkości nasiąkliwości, części przekroju poprzecznego krawężnika
Teoria
Nasiąkliwość to zdolność do wchłaniania wody przez dany materiał, opisująca maksymalne nasycenie wodą jego struktury [4]. Można ją przedstawić masowo, jako stosunek masy pochłoniętej wody do masy próbki w stanie suchym, wg wzoru:
Wa = 100% x (M1 – M2)/M2
w którym: M1 – początkowa masa próbki [g], M2 – końcowa masa próbki [g],
bądź objętościowo, przez stosunek masy pochłoniętej wody do objętości danej próbki V, wg wzoru:
Wa = 100% x (M1 – M2)/V
Nasiąkliwość zależy od dwóch zmiennych, tj. przesiąkliwości (przepuszczalności) betonu, oznaczającej zdolność materiału do przepuszczania danej substancji (najczęściej wody) pod wpływem wywieranego na niego ciśnienia, wyrażaną w jednostce długości (na jednostkę czasu), oraz o czym bardzo rzadko się mówi, „powierzchni właściwej” próbki badawczej wyrażanej w jednostce powierzchni. Dopiero iloczyn tych dwóch wielkości, tj. objętość betonu maksymalnie nasyconego wodą, pozwala przy znanym ciężarze bądź objętości całej próbki określić nasiąkliwość betonu danej próbki wodą, wyrażoną w jednostce wagi lub objętości.
Symulacje liczbowe
W celu potwierdzenia powyższych twierdzeń przygotowano trzy warianty obliczeń dla różnych kształtów i wielkości próbek laboratoryjnych, zgodnie z rysunkiem.
Wariant nr 1. Objętość kostki sześciennej o wymiarze boku 8 cm wynosi 512 cm3. Założona przesiąkliwość betonu dla wody o wartości 2 cm spowoduje, że objętość betonu nienasączonego wodą wynosić będzie 64 cm3 (8 cm – 2 x 2 cm)3, natomiast nasączonego 448 cm3 (512 cm3 – 64 cm3). Stosunek objętości betonu nasączonego wodą do objętości całej próbki wyniesie więc 87,50%.
Wariant nr 2. Objętość kostki sześciennej o wymiarze boku 16 cm wynosi 4 096 cm3. Założona przesiąkliwość betonu dla wody o wartości 2 cm spowoduje, że objętość betonu nienasączonego wodą wynosić będzie 1 728 cm3 (16 cm – 2 x 2 cm)3, natomiast nasączonego 2 368 cm3 (4 096 cm3 – 1 728 cm3). Stosunek objętości betonu nasączonego wodą do objętości całej próbki wyniesie więc 57,81%.
Wariant nr 3. Objętość kostki prostopadłościennej o wymiarach boków 4 x 8 x 16 cm wynosi 512 cm3. Założona przesiąkliwość betonu dla wody o wartości 2 cm spowoduje, że objętość betonu nienasączonego wodą wynosić będzie 0 cm3 (4 cm – 2 x 2 cm)3, natomiast nasączonego 512 cm3. Stosunek objętości betonu nasączonego wodą do objętości całej próbki wyniesie więc 100,00%.
Rys. 1 Kształty i wymiary próbek badawczych
Wyniki
Analizując powyższe symulacje, można jednoznacznie stwierdzić, że pomimo:
– zachowania kształtu próbek badawczych podczas porównywania wyników symulacji z wariantu nr 1 oraz wariantu nr 2,
– zachowania stałej objętości próbek badawczych podczas porównywania wyników symulacji z wariantu nr 1 oraz wariantu nr 3,
otrzymane wyniki wskazywać będą betony różnej nasiąkliwości, mimo wykonania ich z betonów de facto tej samej jakości, gdyż o stałej przesiąkliwości 2 cm. Bazując na wyliczonym procentowym nasączeniu wodą próbek betonu, można stwierdzić, że przy założonej nasiąkliwości próbki z wariantu nr 1 o wielkości 5,00% nasiąkliwość próbki z wariantu nr 2 (o tym samym kształcie) z powodu większych wymiarów, wyniesie 5,00% x (57,81%/87,50%) = 3,30%. W przypadku próbki z wariantu nr 3 inny kształt spowoduje wzrost nasiąkliwości w stosunku do wariantu nr 1 do wartości 5,00% x (100,00%/87,50%) = 5,71%. Oznacza to, że umiejętne dobieranie wielkości, tj. dopuszczalnej przez normatywy wagi oraz kształtu próbek, pozwala ingerować w oczekiwaną wielkość nasiąkliwości. Dokładne wyliczenia, przeprowadzone na krawężniku 15 x 30 x 100 cm, a następnie zweryfikowane laboratoryjnie na rzeczywistym prefabrykacie, przedstawiono w [5].
Należy dodać, że powyższy model zakłada jednakową nasiąkliwość na całej powierzchni zewnętrznej próbek, co nie do końca jest prawdą, gdyż przesiąkliwość w narożach próbek nie jest równa przesiąkliwości w połowie długości ich ścian. Zaburzenia te jednak są minimalne i nie są w stanie zniwelować jednoznacznych różnic w wynikach porównywanych symulacji matematycznych.
Doszczelnianie betonu
Zaniżanie nasiąkliwości prefabrykatów betonowych, szczególnie stosowanych do nawierzchni brukowych, prowadzi do znacznego ograniczenia zdolności wchłaniania wody podczas opadów atmosferycznych, którą opisuje przesiąkliwość betonu. Skrajne doszczelnienie wierzchniej warstwy betonu, najczęściej poprzez domieszki doszczelniająco-hydrofobizujące, może doprowadzić w okresach wczesnowiosennych bądź późnojesiennych oraz naturalnie zimowych do zbierania się znacznych ilości wody, które z powodu licznych wahań temperatur powietrza w okolicy 0oC, zamarzając, tworzą niebezpiecznie śliską nawierzchnię [6]. Zmniejsza to zdecydowanie odpowiadającą za bezpieczeństwo użytkowania cechę betonu, a mianowicie odporność na poślizgnięcie, definiowaną współczynnikiem USRV.
Wygląd a jakość
Nasiąkliwość betonu jest bezpośrednio powiązana z zaprojektowanym stosem okruchowym mieszanki betonowej. Optymalne składy betonów wibroprasowanych zawierają w swoim składzie poza piaskiem 0/2, żwir granulacji 2/8, a nawet 8/16 – w zależności od produkowanego asortymentu. Normy [1, 2, 3] dopuszczają produkcję betonowej galanterii drogowej w wersji jedno- lub dwuwarstwowej. W pierwszym przypadku całe wyroby wytwarzane są z mieszanki tej samej jakości, a więc o przewidywanej nasiąkliwości. W drugim wariancie część konstrukcyjna prefabrykatu z betonu o „szczelniejszym” stosie okruchowym, pokryta jest warstwą wierzchnią zaprojektowaną przy uwzględnieniu w pierwszej kolejności wyglądu (maksymalny wymiar kruszywa 3–4 mm) oraz odporności na zamrażanie i rozmrażanie z udziałem soli odladzających i ścieranie. Różnicę w zachowaniu się dwóch różnych betonów krawężnika – konstrukcyjnego i wierzchniego – po opadach atmosferycznych, bez ingerencji środków doszczelniających, przedstawiono na fot.
Wnioski
Przedstawione wyżej argumenty, w opinii autora, dyskryminują nasiąkliwość jako główny, a niejednokrotnie jedyny parametr określający jakość betonu. Zastanawiające jest to, że niezwykle rzadko spotyka się on z zaostrzeniem, przez opracowujących SST, parametrów prawdziwie decydujących o trwałości wyrobów betonowych, a mianowicie odporności na zamrażanie i rozmrażanie z udziałem soli odladzających oraz ścieralności. Wyniki tych badań zależą liniowo od ilości złuszczonego materiału w jednostce wagi bądź objętości na jednostkę powierzchni. Zalety metodyki tych badań w świetle wskazanych ewidentnych wad badania nasiąkliwości wydają się bezdyskusyjne i niewymagające dalszych rozważań.
Dokładna analiza tworzonych dokumentacji nie pozwala oprzeć się wrażeniu, że może być to spowodowane zbyt częstym stosowaniem w trakcie pracy przy komputerze osób przygotowujących zapisy SST kombinacji klawiszy Ctrl C – Ctrl V.Innym aspektem jest fakt, że niejednokrotnie inżynierowie budownictwa z wieloletnim doświadczeniem przypominają, ile problemów (czasowych, i logistycznych) stwarzało kilkadziesiąt lat temu wykonanie badań mrozoodporności, np. F150, wg nieaktualnych już norm [7]. Prościej było więc sztucznie zaniżyć nasiąkliwość do 4% i „zapomnieć” o pozostałych badaniach środowiskowych, zakładając, że wyrób tak niskiej nasiąkliwości musi być niezwykle trwały. Zarówno metodyka badań, jak i dostępność osprzętu oraz liczba jednostek badawczych uległa diametralnej poprawie, jednakże w zakresie podejścia do nasiąkliwości istnieje, można by rzec, skuteczny opór na wiedzę, czego dowodem może być całkowite lekceważenie publikacji potwierdzających, na podstawie badań przeprowadzonych na rzeczywistych obiektach inżynierskich, w skali 1:1, tezę, że niska nasiąkliwość może doprowadzić do niskiej mrozoodporności, a tym samym niskiej jakości betonu [8]. Niestety, nadal znaczna część środowiska budowlanego warunkuje potwierdzenie co najmniej 50-letniej trwałości prefabrykatów, zgodnie z normą [9], dokładnością wycierania betonowych próbek ściereczką aż do uzyskania matowej powierzchni [10].
Autor tekstu jest zwolennikiem racjonalnego podejścia do badania jakości prefabrykatów betonowych: nasiąkliwość każdorazowo badana, lecz w przypadku niespełnienia postawionych wymogów (zaostrzonych przez SST – nienormowych) dodatkowe, bardziej rygorystyczne dla betonu badania jakościowo-trwałościowe, odporności na zamrażanie i rozmrażanie z udziałem soli odladzających oraz odporności na ścieranie. W przypadku ich spełnienia – dopuszczenie wyrobu do stosowania.
dr inż. Grzegorz Śmiertka
dyrektor ds. produkcji ZPB KaczmareK
Literatura
1. PN-EN 1338:2005+AC:2007 Betonowe kostki brukowe. Wymagania i metody badań.
2. PN-EN 1339:2005+AC:2007 Betonowe płyty brukowe. Wymagania i metody badań.
3. PN-EN 1340:2007+AC:2009 Krawężniki betonowe. Wymagania i metody badań.
4. A.M. Neville, Właściwości betonu, Polski Cement, Kraków 2000.
5. G. Śmiertka, K. Kaczmarek, Niejednoznaczności w interpretacji wyników nasiąkliwości, prefabrykatów betonowej, wibroprasowanej galanterii drogowej, VII Konferencja Dni Betonu, Tradycja i nowoczesność, Wisła 2012.
6. G. Śmiertka, Hydrofobizować – czy wszystko i wszędzie?, „Brukbiznes” nr 5/2012.
7. PN-B-06250 Beton zwykły.
8. A. M. Glinicki, Widmo nasiąkliwości, „Budownictwo – Technologie – Architektura”, nr 3/2007, IPPT PAN Warszawa.
9. PN-EN 206:2014-04 Beton. Wymagania, właściwości, produkcji i zgodność.
10. G. Śmiertka, Prefabrykaty wytwarzane w oparciu o normę PN-EN 1340, w badaniach zakładowego laboratorium, „Brukbiznes” nr 1/2013.
