Cechy prefabrykowanych betonowych elementów nawierzchni w świetle norm

Częstą praktyką jest, że zapisy w specyfikacjach technicznych drobnowymiarowych prefabrykowanych elementów nawierzchni odnoszą się do różnych niespójnych wymagań i norm (normy na beton zwykły, normy branżowe, wymagania aprobat technicznych i in.). Powoduje to wiele nieporozumień, a na dodatek – w obecnej sytuacji prawnej – koliduje z Ustawą o wyrobach budowlanych z dnia 16 kwietnia 2004 r. [1]. Według ustawy bowiem, parametry wyrobów budowlanych powinny być deklarowane według norm zharmonizowanych z dyrektywą budowlaną.

Poniżej omawiamy szczegółowo obowiązujące normy i wymagania dotyczące prefabrykatów z betonu do nawierzchni (kostki, płyty, krawężniki) – ze wskazaniem tych najbardziej problematycznych.

Rys. 1 Schemat przekroju próbki  do badania zamrażania/rozmrażania (opr. autorek)

Specyfikacje techniczne, a uwarunkowania formalno-prawne

Problemy ze specyfikacją techniczną wynikają w głównej mierze z błędów popełnianych przez osoby, które te specyfikacje tworzą. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury  z dnia 2 września 2004 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy dokumentacji projektowej, specyfikacji technicznych  wykonania i odbioru robót budowlanych oraz programu funkcjonalno-użytkowego [2], nie reguluje wymogów formalno-prawnych dotyczących przygotowania zawodowego osób opracowujących specyfikacje techniczne (SST), jak to ma miejsce w przypadku dokumentacji projektowej, którą przygotowuje projektant z uprawnieniami [3]. Fakt opracowywania specyfikacji technicznych przez osoby nie dysponujące wystarczającą, aktualną wiedzą techniczną, czy technologiczną w tym zakresie [4, 5] jest więc dziś często podnoszony w dyskusjach. Ten brak przygotowania w pewnym stopniu tłumaczy powoływanie się w dokumentach SST na wymagania nieaktualnych już norm (np. z serii BN-80/6775-03) lub na wymagania zawarte w aprobatach technicznych na drobnowymiarowe elementy betonowe.

Tab. 1 Wymagania i oznaczenia dotyczące drobnowymiarowych elementów betonowych wg norm europejskich

Rezultat jest taki, że zapisy w SST zamiast ułatwiać – często utrudniają  znalezienie na rynku wyrobów spełniających stawiane wymagania. Producenci wyrobów betonowych, zgodnie z ustawą o wyrobach [1], są bowiem zobligowani posługiwać się przy opisywaniu swoich produktów normami europejskimi [6÷8]. Żeby nie tracić klientów i móc uczestniczyć w konkretnej realizacji na etapie przetargu, producenci niejednokrotnie rozszerzają więc zakres badań wyrobów, czy wręcz je dublują, aby odpowiadały różnym przepisom. I tak: żeby wprowadzić wyrób do obrotu – badają go zgodnie z obowiązującymi normami europejskimi, żeby móc uczestniczyć w przetargach na konkretną realizację – zgodnie z zapisami SST.

Dodajmy, że możliwe (i niejednokrotnie czynione w praktyce) jest dokonanie zmian w zapisach specyfikacji, jednak wszyscy uczestnicy procesu inwestycyjnego podchodzą do tego bardzo ostrożnie, w obawie przed potencjalnymi konsekwencjami najdrobniejszych zmian w SST [3].

Rys. 2 Przebieg temperatury w czasie jednego cyklu zamrażania/rozmrażania (opr. autorek)

Ustawa o wyrobach [1] przewiduje jeszcze jeden – indywidualny sposób zamawiania wyrobów, dopuszczając dojednostkowego zastosowania w obiekcie budowlanym wyrobów budowlanych wykonanych według indywidualnej dokumentacji technicznej, sporządzonej przez projektanta obiektu lub z nim uzgodnionej, dla których producent wydał oświadczenie, że zapewniono zgodność wyrobu budowlanego z tą dokumentacją oraz z przepisami. (Art. 10.1.). Taka indywidualna dokumentacja techniczna powinna zawierać opis rozwiązania konstrukcyjnego, charakterystykę materiałową i informację dotyczącą projektowanych właściwości użytkowych wyrobu budowlanego oraz określać warunki jego zastosowania w danym obiekcie budowlanym.

Fot. 1 a) Próbki w komorze podczas badania mrozoodporności; b) Zbieranie złuszczonego materiału z powierzchni badanej próbki

Fot. 2 Próbki podczas badania nasiąkliwości

Wymagania dla prefabrykowanych elementów nawierzchni według norm europejskich

Normy [6÷8] na drobnowymiarowe elementy betonowe zharmonizowane z dyrektywą budowlaną obowiązują w Polsce od 2005 roku. W normach tych zawarte są wymagania odnośnie wyrobów – dotyczące ich kształtu, wymiarów, właściwości fizycznych i mechanicznych oraz aspektów wizualnych, a w załącznikach – opisane są metody badań poszczególnych właściwości prefabrykatów. Ponadto normy zawierają wytyczne dla zakładowej kontroli produkcji i określają kryteria oceny zgodności. Podstawowe wymagania i właściwości drobnowymiarowych prefabrykatów betonowych według norm [6÷8] zostały zestawione w tablicy 1.

Fot. 3 a) Pomiar ścieralności na tarczy Böhmego: 1-badana próbka w uchwycie, 2-pas ścierania (posypany proszkiem ściernym), 3-tarcza obrotowa, 4-ciężarek obciążający; b) Próbka podczas cyklu ścierania

Wybrane metody badań drobnowymiarowych elementów prefabrykowanych

– ?Odporność na warunki atmosferyczne

A) Metoda określania odporności na zamrażanie/rozmrażanie z udziałem soli odladzającej

Próbki przeznaczone do badań (o górnej powierzchni przeznaczonej do badań większej od 7500 mm² i mniejszej od 25000 mm² i grubości nie większej niż 103 mm), pobrane nie wcześniej niż 20 dni od zaformowania wyrobu, są wstępnie klimatyzowane przez 168 ± 5 h w komorze klimatyzacyjnej (temp. 20 ± 2^oC, RH 65 ± 10%). Następnie powierzchnie odpowiednio przygotowywanych do badań próbek (rys.1) pokrywa się 3% roztworem NaCl. Próbki poddaje się 28 cyklom zamrażania i rozmrażania w komorze zamrażarki. Jeden cykl trwa 24 godziny, a temperatura mieszaniny zamrażającej powinna się zmieniać w czasie zgodnie z rys. 2.

Po 28 cyklach zamrażania/rozmrażania w komorze zamrażalniczej (fot. 1a) zbiera się złuszczony materiał z badanej powierzchni próbek (fot. 1b). Złuszczony materiał wraz z wodą, którą przemywano powierzchnię próbki wylewa się na bibułę filtracyjną, a następnie suszy do stałej masy.

Mrozoodporność badanych próbek ocenia się na podstawie ubytku masy złuszczonego materiału po 28 cyklach [kg] na jednostkę powierzchni próbki [m²].

Fot. 4 a) Przygotowanie powierzchni próbki do badań (usunięcie zadziorów); b) Badanie wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu; c) Próbka po badaniu wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu

B) Badanie nasiąkliwości

Po ustaleniu temperatury próbek do 20 ± 5°C, próbki do badań (masa nie mniejsza niż 2,5 kg i nie większa niż 5 kg) nasyca się wodą (fot. 2) do osiągnięcia stałej masy (tzn. dwa kolejne wyniki ważenia w odstępie 24 h nie wykazują różnicy większej niż 0,1%). Następnie próbki są suszone do stałej masy.

Nasiąkliwość W_a oblicza się dla każdej próbki z wzoru:

gdzie: M₁ to  masa próbki nasyconej wodą w (g), a M₂ – masa próbki wysuszonej w (g).

Jako wynik badania nasiąkliwości podaje się wartość średnią, jednak sprawozdanie powinno zawierać również wartości nasiąkliwości dla każdej badanej próbki.

Rys. 3 Schemat pomiaru wytrzymałości na zginanie a) dla płyty brukowej wg [7] i b) dla krawężnika betonowego wg [8] (opr. autorek)

– Pomiar ścieralności na tarczy Böhmego

Jedną z metod badania ścieralności wymienionych w [6÷8] jest oznaczenie na tarczy Böhmego (załącznik H) obok metody szerokiej tarczy ściernej (załącznik G).

Płytki kwadratowe lub próbki sześcienne o długości boku 71,0 ± 1,5 mm umieszcza się na tarczy Böhmego (fot. 3a), na pasie posypanym normowym proszkiem ściernym – sztucznym korundem. Następnie próbkę obciąża się siłą 294 ± 3 N i poddaje 16 cyklom ścierania (fot. 3b). Każdy cykl ścierania powinien składać się z 22 obrotów tarczy. Po każdym cyklu ścierania zbiera się starty materiał łącznie z proszkiem korundowym oraz wysypuje na pas ścierania nową porcję proszku w ilości 20 g. Po każdych 22 obrotach tarczy obraca się ścieraną próbkę o 90^o.

Po 16 cyklach (352 obrotach) oblicza się ścieralność  jako ubytek objętości ΔV z równania:

Gdzie ?m to ubytek masy po 16 cyklach [g], ρ_R – gęstość próbki do badania lub, w przypadku próbek wielowarstwowych, gęstość warstwy ścieralnej [g/mm³].

Fot. 5 Kostka z odpryskiem – element niespełniający wymagań normowych

– Wytrzymałość na rozciąganie

A) Badanie wytrzymałości przy rozłupywaniu

Badanie przeprowadza się dla kostek brukowych. Próbki przed badaniem należy zanurzyć w wodzie o temperaturze 20 ± 5 ^oC na czas 24 ± 3 h i usunąć z ich powierzchni wszelkie zadziory, pozostałości po formowaniu (fot 4a). Następnie umieszcza się próbkę w maszynie tak, aby podkładki i próbka leżały w jednej linii (fot. 4b).

Wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu  kostki brukowej T w MPa oblicza się z równania:

gdzie: P to obciążenie niszczące [N], S – powierzchnia przełomu badanej próbki, a k – współczynnik korekcyjny ze względu na grubość kostki brukowej (można go wyliczyć  z równania lub przyjąć z tabeli zawartej w normie PN-EN 1338 zał. F).

W sprawozdaniu, obok wartości wytrzymałości na rozciąganie, podaje się obciążenie niszczące F (kostki brukowej) dla długości elementu  w N/mm obliczając  z równania:

[N/mm]

B) Badanie wytrzymałości przy zginaniu

Badanie przeprowadza się dla płyt brukowych i krawężników betonowych. Próbki przed badaniem należy odpowiednio przygotować (zanurzyć w wodzie w temperaturze 20 ± 5^oC na czas 24 ± 3 h i usunąć z  ich powierzchni wszelkie zadziory).

Następnie, w zależności od badanego elementu i stosowanej normy, próbkę umieszcza się w maszynie do badania wytrzymałości  zgodnie z schematami przedstawionymi  na rys. 3a dla płyty brukowej i rys. 3b dla krawężnika betonowego.

Po zniszczeniu próbki, określa się wytrzymałość na zginanie  T [MPa] w zależności od przyjętych schematów z rys. 3, według poniższych wzorów:

– dla płyty brukowej

– dla krawężnika betonowego

gdzie:

P – obciążenie niszczące [MPa], L – odległość miedzy podporami [mm], b – szerokość płyty brukowej [mm], t – wysokość płyty brukowej [mm], l – moment bezwładności powierzchni, określony z wymiarów nominalnych, y – odległość pomiędzy środkiem ciężkości i skrajnym włóknem rozciąganym.

Fot. 6 Wykwity na elementach kostki brukowej

Najczęstsze problemy dotyczące specyfikowanych właściwości prefabrykatów betonowych

– Aspekty wizualne

Według [6÷8] wyroby betonowe nie mogą mieć rys i odprysków (fot. 5), a elementy z warstwą ścieralną nie powinny wykazywać rozwarstwienia. Tekstura i zabarwienie próbek nie powinny natomiast wykazywać znaczących różnic w stosunku do próbek wzorcowych dostarczonych przez producenta i zatwierdzonych przez nabywcę. Inną kwestię stanowią wykwity, które są częstym przedmiotem sporów odbiorczych. Zgodnie z zapisami zawartymi w normach  [6÷8] ewentualne wykwity nie mają szkodliwego  wpływu na właściwości użytkowe wyrobów i nie są uważane za istotne. Jednak odbiorcy kostki brukowej, zwłaszcza indywidualni, często próbują reklamować wykwity jako wadę dostarczonego produktu. 

Powstawanie wykwitów na powierzchni barwionych elementów z betonu jest zjawiskiem niemającym praktycznie znaczenia dla trwałości [9]. Zjawisko  to dotyczy wszystkich materiałów porowatych, a więc takich, w których mogą zachodzić procesy transportu cieczy. W porowatym materiale, który zawiera związki stosunkowo dobrze rozpuszczalne wodzie, mogą wystąpić wykwity, a intensywność ich powstawania, jak i ilość zależy od wielu czynników (rys. 4). Do głównych należy zaliczyć porowatość, strukturę porów (związane z w/c oraz stopniem hydratacji cementu), skład zaczynu – w tym rodzaj cementu (skład chemiczny), skład betonu (w/c), przebieg mieszania składników, sposób i warunki formowania, dojrzewania, wiek betonu oraz warunki eksploatacji [10].

Wykwity węglanowe (spowodowane karbonatyzacją Ca(OH)₂) (fot. 6), czy wykwity spowodowane podciąganiem kapilarnym i krystalizacją soli rozpuszczalnych – znikną z czasem z powierzchni wyrobów, gdy są one prawidłowo zaprojektowane i wykonane z dobrej jakości składników, a następnie eksploatowane w środowisku nieagresywnym chemicznie. Jednak wzrost intensywności wykwitów w dłuższym czasie eksploatacji, może mieć inną genezę i prowadzić do destrukcji betonu. Niebezpieczne są zwłaszcza wykwity chlorków i siarczanów alkalicznych pochodzących z cementu, kruszywa, dodatku mineralnego (np. popiołu lotnego), pigmentu lub nadmiernie zmineralizowanej wody zarobowej. Ich powstawanie może powodować znaczne zmiany destrukcyjne w betonie, aż do jego zniszczenia [10].

Rys. 4 Czynniki wpływające na powstawanie wykwitów (opr. autorek)

– Nasiąkliwość

Wymaganie nasiąkliwości jest zapisem często kwestionowanym zarówno w specyfikacjach betonu do konstrukcji monolitycznych, jak również w przypadku wyrobów betonowych prefabrykowanych [11, 12]. Specyfikowanie wymaganej nasiąkliwości elementów z betonu jest tym bardziej trudne, że do wymagań normowych [6÷8] dodawane są zalecenia wprowadzone przez GDDKiA (dodatkowo zaostrzone wymaganie nasiąkliwości do 4%). Tak też w specyfikacjach pojawia się obok powołania na normę europejską dodatkowy zapis spełnienia: Zalecenia w zakresie wymagań dotyczących nasiąkliwości betonów: pismo GDDKiA-DT-WM-zk-520/10/10 z 06.08.2010 r.

– Mrozoodporność

Nowe podejście do badania mrozoodporności prefabrykatów w przyjętych normach europejskich sprawiło, iż zrezygnowano z badań mrozoodporności „wewnętrznej” elementów z betonu na korzyść badań odporności na powierzchniowe łuszczenie w obecności środków odladzających (i to też tylko w klasie 3 – tablica 1). Badaniu odporności na zamrażanie/rozmrażanie w obecności roztworu soli, poddawana jest tylko warstwa licowa kostki, co w większości przypadków wydaje się podejściem uzasadnionym, jednak zdarzają się przypadki,  zwłaszcza podczas wykonywania kostki dwuwarstwowo, iż powierzchnia badana (warstwa ścieralna) nie wykazuje żadnych złuszczeń i ubytku masy, podczas, gdy warstwa dolna, konstrukcyjna  nie jest mrozoodporna [13]. W takiej sytuacji, roztwór soli odladzającej, który w wyniku złego uszczelnienia kostki w badaniu laboratoryjnym, a w konstrukcji nawierzchni, przy zastosowaniu przepuszczalnej spoiny w łączeniach wniknie w dolną warstwę kostki – spowoduje jej degradację (fot. 7).

Fot. 7 Kostka brukowa po badaniu odporności na zamrażanie/rozmrażanie (brak mrozoodporności)

Podsumowanie

Specyfikacje techniczne określające jakościowe wymagania dotyczące elementów prefabrykowanych z betonu powinny opierać się na obowiązujących normach  i za każdym razem uwzględniać użyteczność wyrobów przy konkretnej realizacji. Poprzez wybór odpowiedniej klasy wyrobów, dostosowanej do projektowanych wymogów środowiskowych, jak również ewentualne uzupełnienie dodatkowych badań kontrolnych, można zapewnić wybór odpowiednich rozwiązań materiałowych, a dbając o reżim technologiczny – zapewnić trwałość konstrukcji w odpowiednio długim okresie użytkowania, nawet w trudnych warunkach ekspozycji.

dr inż. Wioletta Jackiewicz-Rek
Politechnika Warszawska

mgr inż. Małgorzata Konopska-Piechurska
TPA Instytut Badań Technicznych Sp. z o.o.
zdjęcia: archiwum TPA.

Bibliografia

1. Dz.U. 2004 nr 92 poz. 881  Ustawa z dnia 16 kwietnia 2004 r. o wyrobach budowlanych;

2. Dz.U. 2004 nr 202 poz. 2072  Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 2 września 2004 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy dokumentacji projektowej, specyfikacji technicznych wykonania i odbioru robót budowlanych oraz programu funkcjonalno-użytkowego;

3. G. Śmiertka, Jak pogodzić obowiązujące przepisy z zapisami SST, Brukbiznes, 4/2012;

4. J. Wrzesińska, Elementy betonowe w budownictwie drogowym a specyfikacje techniczne i wymagania GDDKiA, Magazyn Autostrady, 4/2011;

5. G. Łój, Badania odbiorcze betonowych elementów brukowych, Brukbiznes, 4/2012;

6. PN-EN 1338:2005+AC:2007 Betonowe kostki brukowe. Wymagania i metody badań;

7. PN-EN 1339:2005+AC:2007  Betonowe płyty brukowe. Wymagania i metody badań;

8. PN-EN 1340:2004+AC:2007  Krawężniki betonowe. Wymagania i metody badań;

9. W. Kurdowski, Chemia cementu i betonu, Polski Cement, 2010;

10. M. Kurpińska, Korozja wibroprasowanych elementów betonowych, Brukbiznes, 2/2012;

11. W. Jackiewicz-Rek, M. Konopska, Rola specyfikacji betonu do obiektów mostowych, Budownictwo Technologie Architektura, 55/2011;

12. W. Jackiewicz-Rek, M. Konopska-Piechurska, Zrównoważony rozwój technologii nawierzchni betonowych – aspekty funkcjonalne, Budownictwo Technologie Architektura,1(62)/2013;    

13. G. Łój, Czy ta kostka jest odporna na mróz?, Brukbiznes, 5/2012.