Beton wałowany łączy zalety technologiczne nawierzchni asfaltowych z zaletami eksploatacyjnymi dróg betonowych.
Historia betonu wałowanego
W latach 30. XX w. w Szwecji podjęto pierwszą odnotowaną próbę zastosowania materiału, który dzisiaj nazwalibyśmy betonem wałowanym (ang. RCC – roller-compacted concrete). Ze względu na trudności z uzyskaniem zadowalającego zagęszczenia przez najbliższe dziesięciolecia rozwiązanie to w zasadzie nie znalazło zastosowania w drogownictwie. Przełom nastąpił w latach 70. i 80. Pierwsze zastosowanie nawierzchni w technologii RCC w szerszym zakresie miało miejsce w Kanadzie, na drogach do zrywki drewna. Następnie materiałem zainteresował się Korpus Inżynieryjny Armii Stanów Zjednoczonych, który odpowiada za budowę i utrzymanie obiektów o znaczeniu militarnym.
Kolejnym kamieniem milowym stały się aplikacje przemysłowe, realizowane od lat 90. Betonem RCC zainteresował się przemysł motoryzacyjny – wykorzystano go na wielkich placach technologicznych w fabrykach koncernów Honda, Hyundai i Kia, a także centrach dystrybucyjnych, magazynach, terminalach przeładunkowych w portach (np. Port of Houston w Teksasie) czy przy budowie zapór wodnych. W technologii RCC zrealizowano przejście graniczne między USA a Meksykiem w Brownsville.
Z początkiem obecnego stulecia zalety technologii zostały dostrzeżone przez branżę drogową. Beton wałowany stał się już nie tylko alternatywą dla prefabrykatów betonowych na sekcjach dróg zakładowych, ale także pełnoprawnym konkurentem dla tradycyjnych technologii stosowanych na drogach publicznych. Ulice osiedlowe, drogi lokalne, pasy awaryjne autostrad czy skrzyżowania były coraz częściej projektowane w RCC.
Pierwszą w Polsce drogą z betonu wałowanego był wybudowany w 2010 r. 325-metrowy odcinek ul. Fabrycznej w Miastku w woj. pomorskim. Pierwszą nawierzchnią drogi publicznej ułożoną maszynowo został w 2013 r. 70-metrowy fragment ul. Sportowej w Zaklikowie (woj. podkarpackie). W Europie drogi z betonu wałowanego są już rozpowszechnione np. w Norwegii, Belgii i Wielkiej Brytanii.
Z punktu widzenia procesu konstrukcyjnego i komfortu użytkowania beton wałowany stanowi połączenie zalet technologicznych nawierzchni asfaltowych (łatwość wykonawstwa, szybkie oddanie obiektu do ruchu) z zaletami eksploatacyjnymi dróg betonowych (trwałość i odporność na obciążenia). Ten niezwykle korzystny zestaw cech był kluczem do sukcesu betonu wałowanego w Ameryce Północnej.
Droga gminna relacji Chruślanki Józefowskie (pow. opolski) – Mikołajówka (pow. kraśnicki); długość 3220 m, realizacja 2014 r.
Właściwości RCC i różnice względem betonu konwencjonalnego
Beton wałowany jest w rzeczywistości klasycznym betonem cementowym, przystosowanym jedynie do zagęszczania metodą wałowania. Jest to sucha mieszanka o zerowym opadzie stożka (metoda badania konsystencji mieszanki betonowej) o składzie podobnym do składu mieszanki betonu konwencjonalnego, jednak poszczególne składniki występują tu w innych proporcjach. Od 75% do nawet 85% objętości zarobu stanowią kruszywa dogęszczone w taki sposób, by zredukować zawartość powietrza w mieszance i zwiększyć jej gęstość. Zasadnicze różnice dotyczą zawartości frakcji pylastych w zarobie, które w betonie konwencjonalnym nie są pożądane, a w betonie wałowanym decydują o stabilności mieszanki podczas zagęszczania. Zawartość cementu jest mniejsza niż w betonie konwencjonalnym, nie powinna jednak spaść poniżej 270 kg/m3. Mieszanka raczej nie jest napowietrzana, a badania wykazują, że nie wpływa to negatywnie na mrozoodporność.
Zarób RCC charakteryzuje się niską zawartością wody (90–120 kg/m3), co przekłada się na niską wartość wskaźnika w/c (0,30–0,45). Wszystko to ma na celu uzyskanie wilgotności optymalnej, czyli takiej, przy której beton najłatwiej podda się zagęszczeniu. Produkcja mieszanki sprowadza się zatem do zachowania odpowiedniego balansu między jej suchością, która pozwala na bezpieczne zastosowanie walców wibracyjnych, a wilgotnością, która zapewni uzyskanie odpowiedniej równości przy rozkładaniu. Innymi słowy, świeżo ułożona nawierzchnia musi być zdolna do uniesienia zagęszczających ją walców, a jednocześnie musi poddać się zagęszczaniu.
Po zagęszczeniu i ułożeniu betonu rozściełaczem sugeruje się przejazdy walca w celu ostatecznego dogęszczenia i nadania tekstury. W przeciwieństwie do nawierzchni z betonu konwencjonalnego beton wałowany nie wymaga zbrojenia, dyblowania ani kotwienia.
Zaletą rozwiązania jest nie tylko konkurencyjna cena mieszanki oraz szybkość prowadzenia budowy, ale i krótki czas, po jakim drogę można oddać do ruchu kołowego.Już po dwóch dobach od ułożenia nawierzchnia z betonu wałowanego osiąga wstępną wytrzymałość pozwalającą na przyjęcie ruchu, a od razu po wbudowaniu jest możliwy ruch pieszy. „Regułą kciuka” w USA jest otwieranie drogi do ruchu po osiągnięciu in situ wytrzymałości na ściskanie ok. 20 N/mm2 (oznaczanie na próbkach walcowych).
Po wbudowaniu i stwardnieniu betonu wałowanego należy przeprowadzić następujące badania:
– gęstość (PN-EN 12390-7),
– wytrzymałość na ściskanie (PN-EN 12390-3),
– wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu (PN-EN 12390-6),
– odporność na zamrażanie/rozmrażanie z udziałem soli odladzającej (PKN-CEN/TS EN 12390-9), jeśli taka będzie stosowana.
W przypadku nawierzchni narażonej na ryzyko oddziaływania paliw lub olejów konieczne jest dodatkowo badanie odporności na ich wnikanie (PN-EN 13877-2, zał. B).
Większość parametrów użytkowych drogi wykonanej z betonu RCC zasadniczo nie różni się od tych charakterystycznych dla klasycznej drogi betonowej.RCC dzieli zatem z betonem konwencjonalnym takie zalety, jak: odporność na wysokie obciążenia, brak zjawiska koleinowania, bardzo niskie zapotrzebowanie na wydatki utrzymaniowe, zwiększone bezpieczeństwo (jasna nawierzchnia), benefity ekologiczne (w stosunku do asfaltu: niższe zużycie paliwa, mniejsze zapotrzebowanie na oświetlenie zewnętrzne, redukcja efektu „miejskiej wyspy ciepła”, możliwość recyklingu, niższa emisja dwutlenku węgla, brak potencjalnie szkodliwych oparów na miejscu budowy).
Wskazując na zalety charakterystyczne tylko dla RCC, należy podkreślić relatywnie niewielką pracochłonność, brak konieczności stosowania form i zbrojeń oraz wysokie tempo przyrostu wytrzymałości wczesnej. Do wad należy zaliczyć równość, przez co większość obiektów przeznaczona jest dla pojazdów poruszających się z niską prędkością (50–70 km/godz.). Ponadto nawierzchnia wykonana w technologii RCC nie uzyska tej samej gładkości i jednorodności co nawierzchnia z betonu konwencjonalnego. Badania dotyczące mrozoodporności są sprzeczne. Z reguły wyniki laboratoryjne, przeprowadzane na podstawie nadmiernie rygorystycznych kryteriów, są mniej przychylne dla betonu RCC, niż mogłoby to wynikać z obserwacji przeprowadzonych na rzeczywiście istniejących odcinkach dróg.
Trzebinia, ul. Leśna, fragment dojazdu do kopalni piasku; długość 400 m, realizacja 2014 r.
Zastosowanie
Najogólniej, jezdnie z betonu RCC są przewidziane na nawierzchnie o stosunkowo dużych obciążeniach ruchem i relatywnie niskich prędkościach osiąganych przez poruszające się po nich pojazdy. Tym samym najpopularniejsze zastosowania RCC obejmują: drogi lokalne, place zakładowe, drogi techniczne, pasy awaryjne autostrad, składy kontenerowe, parkingi, zatoki autobusowe. Znane są także przypadki zastosowania RCC na ścieżkach rowerowych, w tunelach czy na duktach leśnych – od tych ostatnich zaczęła się przecież cała historia tej technologii.
Zgodnie z opublikowaną na stronach Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad ogólną specyfikacją techniczną betonu wałowanego (OST-BW) będzie on rozwiązaniem właściwym w następujących przypadkach:
– nawierzchnie nienarażone na działanie opadów atmosferycznych oraz soli odladzających – umiarkowanie eksploatowane (np. place składowe pod wiatą) – z betonu klasy minimum C20/25;
– nawierzchnie dróg kategorii ruchu KR1-KR2 – z betonu klasy minimum C25/30;
– nawierzchnie dróg technologicznych (dojazdowych, objazdowych czy serwisowych), wewnętrznych, placów manewrowych itp. (o obciążeniu odpowiadającemu kategoriom ruchu KR3-KR4 na drogach krajowych) – z betonu klasy minimum C30/37;
– podbudowy dróg kategorii ruchu KR1-KR7 – zgodnie z wytycznymi WT5.
Niestety, nie można w pełni zgodzić się z takim rozumieniem potencjału aplikacyjnego. Wytyczną do zastosowania betonu wałowanego powinna być przede wszystkim projektowana prędkość poruszających się po niej pojazdów, a nie kategoria ruchu drogi. Na przykład drogi publiczne pełniące funkcję dróg dojazdowych do zakładów przemysłowych mogą mieć bardzo wysokie wymagania co do odporności na obciążenia, mimo że prędkość samochodów jest tam bardzo niska.
Projektowanie
Zalecenia wobec podbudów są w zasadzie analogiczne do opisanych w „Katalogu typowych konstrukcji nawierzchni sztywnych”. Co do grubości projektowanych warstw wierzchnich jezdnie z betonu wałowanego są zasadniczo cieńsze od wartości katalogowych, szczególnie dla jezdni o bardzo dużych obciążeniach.
Grubość warstwy betonu RCC dla nawierzchni kategorii KR1 nie powinna być mniejsza niż 12 cm, a optymalnie powinna osiągnąć 15 cm, jak to ma miejsce na większości dróg gminnych wybudowanych w betonie konwencjonalnym. Warstwa cieńsza, 10 cm, będzie właściwa np. na ścieżkach rowerowych. Maksymalna grubość układanej warstwy zależy od parametrów konkretnego rozściełacza, przy czym możliwe jest również układanie nawierzchni dwuwarstwowo.
Podłużna szczelina skurczowa zalecana jest tylko przy jezdniach o szerokości przewyższającej 6 m.Specyfikacja GDDKiA jest natomiast zdecydowanie zbyt rygorystyczna w zakresie rekomendacji dla szczelin poprzecznych. Doświadczenia amerykańskie i kanadyjskie wskazują na dobre doświadczenia ze szczelinami pozornymi o rozstawie ok. 5–7 m, przy czym w zasadzie nie stosuje się szczelin dylatacyjnych (konstrukcyjnych). Tymczasem autorzy OST-BW zalecają szczeliny w odstępie 3 m. Istnieją kontrowersje co do konieczności i częstotliwości stosowania szczelin dylatacyjnych na nawierzchniach z betonu wałowanego. Na wstępnym etapie doświadczeń i w zgodzie z inżynierską ortodoksją projektanci nie powinni jednak rezygnować co najmniej ze szczelin pozornych.
Technika wypełnienia szczelin może być dwojaka: na gorąco (np. masa asfaltowa) lub na zimno (np. mieszanki żywic syntetycznych). Niezależnie od wybranej techniki najpierw w szczelinie należy umieścić wkładkę uszczelniającą (np. sznur polietylenowy).
Bardzo ważną wytyczną wynikającą z OST-BW jest wykonanie odpowiednio dużego odcinka próbnego przed przystąpieniem do realizacji właściwej inwestycji.Próba ma na celu kalibrację sprzętu i przeszkolenie załogi. Podobna rekomendacja znajduje się w instrukcji wydanej przez Europejską Organizację Betonu Towarowego (ERMCO), gdzie zawarto wymaganie, by szerokość odcinka próbnego była równa co najmniej dwukrotności szerokości używanej rozkładarki.
Plac na terenie Zakładu Recyklingu Metali Żelaznych i Kolorowych w Zabrzu, realizacja 2014 r.
Reżim wykonawczy
Co do zasady, nawierzchnie z betonu wałowanego są układane za pomocą rozściełaczy do mieszanek bitumicznych. Rodzi to dwojakie korzyści z punktu widzenia inwestora. Po pierwsze, może on uzyskać oferty od firm mających asfaltowy park maszynowy. Po drugie, logistyka budowy przy użyciu rozściełacza do bitumu jest łatwiejsza niż w przypadku wykorzystywania specjalistycznej rozkładarki do betonu konwencjonalnego.
Należy zaznaczyć, w celu zachowania odpowiedniej jakości nawierzchni, że tylko część dostępnych na rynku rozściełaczy asfaltowych sprawdzi się przy realizacji inwestycji betonowej. Odpowiedni rozściełacz powinien charakteryzować się stołem wysokiego zagęszczenia (preferowane są stoły o masie co najmniej 4 ton) i podwójnym rzędem ubijaków. Zagęszczenie wstępne za rozkładarką powinno osiągnąć minimum 90%, a najlepiej 95%. Dobrze jest, gdy wykonawca ma możliwość ciągłej kontroli dogęszczenia za pomocą sondy nuklearnej (ang. nuclear density gauge). Przy betonie wałowanym, będącym materiałem o wiele mniej plastycznym od asfaltu, uzyskanie wysokiego zagęszczenia wstępnego ma podstawowe znaczenie dla równości budowanej nawierzchni.
Realizacja budowy, podobnie jak w przypadku klasycznego betonu, powinna być prowadzona w określonych warunkach pogodowych: temperatura atmosferyczna od 5 do 25oC i brak prognozowanych opadów (w przypadku ich wystąpienia na rozpoczętej już budowie droga powinna zostać przykryta nieprzemakalną folią). Wymagane jest dostarczenie betonu do rozściełacza w ciągu 60–90 minut od wytworzenia mieszanki, chyba że zastosowano domieszki opóźniające proces wiązania cementu. Transport mieszanki powinien odbywać się samochodami samowyładowczymi pod plandeką, co chroni materiał przed wysychaniem.
Ze względu na niską zawartość wody w zasypie szczególna ostrożność musi zostać zachowana przy budowach realizowanych w ciepłe dni.
Walce zagęszczające powinny charakteryzować się masą co najmniej 8 ton. Odpowiednia procedura wałowania jest konieczna do zapewnienia jednorodnego zagęszczenia na całej powierzchni obiektu, tak aby krańce nawierzchni były zagęszczone w takim samym stopniu jak jej środek.
Po wbudowaniu nawierzchni stosuje się biały preparat hydrofobowy, nie zapominając o pokryciu nim także bocznych powierzchni płyt.
Możliwe jest uszorstnienie nawierzchni, np. przez szlifowanie techniką diamentową (ang. diamond grinding), co poprawia teksturę i wydłuża żywotność drogi. Z powodu bardzo wysokich kosztów rozwiązanie to jest rzadko stosowane, nawet w USA.
Realizacje
Atrakcyjność nawierzchni betonowych w Polsce jest tamowana przez czynniki historyczne, niewielkie doświadczenie inwestorów, projektantów i użytkowników, obawy co do wysokiej ceny oraz dość powszechne przekonanie, że technologia betonowa jest dobrym rozwiązaniem wyłącznie na drogach o bardzo dużym natężeniu ruchu. W przypadku dróg lokalnych beton wałowany posiada jednak wszelkie właściwości potrzebne do tego, by rzucić wyzwanie monokulturze asfaltowej.
W dotychczasowych procedurach przetargowych, ogłaszanych w 2013 i 2014 r., beton wałowany okazywał się materiałem konkurencyjnym cenowo względem nawierzchni asfaltowej. Jednocześnie nawierzchnie betonowe oferują inwestorom wydłużony okres gwarancyjny i niemal bezremontowe użytkowanie.
W latach 2013–2014 zrealizowane zostały przez spółki Cemex Infrastruktura m.in. następujące drogi z betonu wałowanego:
– w gminie Wilkołaz, miejscowość Ewunin, 1206,34 m2;
– droga Żuraw–Lusławice (powiat częstochowski), 6457,00 m2;
– droga Czepurka–Piasek (powiat częstochowski), 3789,50 m2;
– ul. Leśna w Trzebini (powiat chrzanowski), ok. 2400 m2;
– droga Chruślanki Józefowskie–Mikołajówka (gmina Józefów nad Wisłą), ok. 19 500 m2;
– w Zakładzie Recyklingu Metali Żelaznych i Kolorowych w Zabrzu 8094 m2 (plac);
– drogi wewnętrzne, w tym na terenie własnych cementowni w Chełmie i Rudnikach k. Częstochowy.
Liczne drogi lokalne w technologii RCC wykonywane są także m.in. w powiecie słupskim i bytowskim.
W przypadku projektów realizowanych w powiecie częstochowskim, powiecie chrzanowskim i gminie Józefów nad Wisłą oferty zostały wyłonione w tzw. przetargach wariantowych i były od 5 do 15% tańsze od najtańszej oferty złożonej w technologii asfaltowej.
Marcin Senderski
CemexInfrastruktura Sp. z o.o.
Literatura
1. S.C. Dooley, RCC Project Case Study: Sycamore Street Reconstruction Project, Pennsylvania Aggregates and Concrete Association, 2012.
2. European Ready Mixed Concrete Organization, ERMCO Guide to roller compacted concrete for pavements, 2013.
3. GDDKiA, Specyfikacja techniczna betonu wałowanego dla potrzeb budowy nawierzchni drogowej, wersja z 14.06.2013.
4. D. Harrington, F. Abdo, W. Adaska, C. Hazaree, Guide for the roller-compacted concrete pavements, Ames, IA: National Concrete Pavement Technology Center, 2010.
5. K.H. Khayat, N.A. Libre, Roller Compacted Concrete: Field Evaluation and Mixture Optimization. Rolla, MO: Center for Transportation Infrastructure and Safety, 2014.
6. B. Killingsworth, Roller Compacted Concrete (RCC) Pavement: Introduction to Design, National Ready Mixed Concrete Association, 2013.
7. D. Luhr, Design and Construction of Roller-Compacted Concrete Pavements for Container Terminals. Cary, NC: Portland Cement Association, 1999.
8. D. Pittman, G. Anderton, The Use of Roller-Compacted Concrete (RCC) Pavements in the United States: Past, Present, and Future, Houston, TX: U.S. Army Corps of Engineers, 2011.
9. Portland Cement Association, Roller-Compacted Concrete Pavements for Highways and Streets. Skokie, IL: PCA, 2005.
10. U.S. Army Corps of Engineers, Roller-Compacted Concrete: Engineer Manual, Washington, DC, 2000.
11. P. Woyciechowski, K. Harat, Nawierzchnia drogowa z betonu wałowanego, „Budownictwo Technologie Architektura” nr 1(57)/2012.
