Betonowe kostki brukowe fazowane i niefazowane

Dokumentem odniesienia dla be­tonowych kostek brukowych podczas wprowadzania ich do obrotu w Polsce oraz krajach Unii Europejskiej, jako wyroby budowlane, jest zharmonizowana norma PN-EN 1338 [1]. Szczegółowo podaje ona wiele wymogów jakościowo-trwałościowych, które prefabrykaty powin­ny spełnić wraz z dokładnym opisem procedur badawczych oraz budowy i zasady działania sprzętu laboratoryj­nego. Zgodnie z przedstawioną w niej definicją betonowa kostka brukowa to prefabrykat betonowy, stosowany jako materiał nawierzchni, który spełnia następujące warunki:

• w odległości 50 mm od każdej kra­wędzi, żaden przekrój poprzeczny nie powinien wykazywać wymiaru poziomego mniejszego niż 50 mm,
• całkowita długość kostki podzielona przez grubość powinna być mniej­sza lub równa cztery.

Stosuje się ją na drogi dla ruchu pieszego, ścieżki rowerowe, parkin­gi samochodowe, drogi, autostrady, obszary przemysłowe, lotniska, przy­stanki autobusowe oraz stacje paliw.

Fot. 1 Forma do produkcji betonowych kostek brukowych

Wytrzymałość mechaniczna

Parametrem określającym wytrzy­małość mechaniczną kostek jest wytrzymałość charakterystyczna na rozciąganie przy rozłupywaniu, dla której wartość minimalną określono w [1] o wielkości 2,9 MPa lub 250 N/mm. Przed 2004 r. prefabryka­ty betonowej galanterii drogowej wytwarzane były według aprobat technicznych, wydawanych przez jednostki aprobujące. Wymaganą wytrzymałość mechaniczną opisywa­no w nich przez wytrzymałość cha­rakterystyczną na ściskanie o war­tości 50 MPa lub wartość średnią 60 MPa [2]. Porównując dotychcza­sowe i obecne wymogi oraz posił­kując się normą PN-B-03264 [3], można zauważyć prostą korelację między podanymi wartościami. Zgod­nie z tab. 2 dokumentu dla betonu dotychczasowej klasy B60 określono wytrzymałość:

• gwarantowaną f_c^G_cube – 60 MPa,
• charakterystyczną na ściskanie f_ck – 50 MPa,
• charakterystyczną na rozciąganie f_ctk – 2,9 MPa.

Odnosząc podane wielkości do aktua­lnej normy PN-EN 206 [4], wprost „połączonej” z Eurokodem 2 PN-EN 1992 [5], można znaleźć analogię dla wytrzymałości na ściskanie, określo­nej przez klasę betonu C50/60, opi­saną:

• minimalną wytrzymałością charak­terystyczną oznaczoną na próbkach walcowych f_ck,cl – 50 MPa,
• minimalną wytrzymałością charak­terystyczną oznaczoną na próbkach sześciennych f_ck,cube – 60 MPa.

Można więc stwierdzić, że dotychcza­sowe oraz aktualne wymogi minimalnej wytrzymałości mechanicznej, pomimo deklarowania zamiennie charaktery­stycznej wytrzymałości na ściskanie oraz wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu, opisują materiał zbliżonej jakości. Zamiana pierwszego parametru wytrzymałościowego na drugi wydaje się logiczna ze względu na fakt, że prefabrykaty betonowe w pierwszej kolejności ulegają znisz­czeniu po przekroczeniu przez naprę­żenia rozciągające w materiale wy­trzymałości na rozciąganie.

Fot. 2 Konstrukcja formy

Rodzaje betonowych kostek brukowych

W normie [1] zapisano, że skośne krawędzie o wymiarze fazy powyżej 2 mm powinny być opisane jako fazo­wane. Obecnie producenci [6] oferują trzy główne typy kostek:

• fazowane o wymiarze fazy ok. 5 mm,
• niefazowane,
• mikrofazowane o wymiarze fazy ok. 2 mm.

Prefabrykaty z fazowanymi krawę­dziami są dla producentów najłatwiej­sze w produkcji. Spowodowane jest to niższym prawdopodobieństwem uszkodzenia ich powierzchni i krawę­dzi w trakcie pakowania oraz niższymi kosztami produkcji. Formę do produk­cji prefabrykatów drogowych w ma­szynach wibroprasujących przedsta­wiono na fot. 1.

Uogólniając, forma to stalowy blok z wyfrezowanymi gniazdami, zamonto­wany w maszynie wibroprasującej wraz ze stemplem, do którego zamocowane są płytki formujące, zagłębiające się w gniazdach formy w trakcie formo­wania prefabrykatów. Każdorazowe rozszalowanie wiąże się z wypchaniem zaformowanej świeżej mieszanki be­tonowej z gniazda formy przez płytkę stempla na paletę produkcyjną, co w konsekwencji powoduje powstanie znacznych sił tarcia na wewnętrznych ścianach gniazd formy (fot. 2). Pierwszy typ prefabrykatów stoso­wany jest na większości wskazanych w normie [1] typach nawierzchni. W ostatnich latach można usłyszeć wiele zarzutów na temat niskiej jako­ści tego typu powierzchni, stosowa­nych w ciągach ścieżek rowerowych [7]. Autor po publikacji artykułów [8, 9] wyjaśniających dokładnie przyczyny nadmiernych drgań na części tego rodzaju ciągów komunikacyjnych oraz udowadniających, że dobrze ułożone kostki fazowane gwarantują wystar­czający komfort jazdy rowerem, nie zamierza dalej polemizować ze swo­imi oponentami ze względu na nieroz­strzygnięty do dzisiaj spór, co jest lepsze – asfalt czy beton?

Fot. 3 Kostka fazowana z niewielką wypływką

Rys. 1 Schemat rozszalowania kostek fazowanych

Produkcja betonowych kostek brukowych

Producenci form do produkcji prefa­brykatów fazowanych deklarują ich żywotność na poziomie ok. 60 tys., a niefazowanych ok. 30 tys. cykli produkcyjnych. Przy wydajności naj­nowocześniejszych maszyn do wibroprasowania, 2000 cykli na zmianę 8-godzinną, oznacza to zużycie formy odpowiednio po ok. dziesięciu oraz pięciu tygodniach produkcji. Różnica w wydajności form fazowanych i nie­fazowanych wpływa na cenę gotowych prefabrykatów o ok. 1,00 PLN netto. Spowodowane jest to ścieraniem po­wierzchniowego utwardzenia, bocz­nych ścian formy, tarciem mieszanki betonowej. Zużycie formy objawia się pojawieniem nadmiernych obwodowych wypływek, powstających w mo­mencie zwiększenia wymiarów kostki w rzucie. Pierwsze ich ślady można zauważyć już po ok. 20-30 tys. cykli. Dopóki ich wysokość nie przekracza rzeczywistej wysokości prefabryka­tu, nie są one szkodliwe dla samego procesu produkcji, poza oczywistym aspektem wizualnym (fot. 3, rys. 1). W tym momencie większość produ­centów poddaje formy procesowi tzw. regeneracji. Polega ona na dokład­nym obmierzeniu każdego z gniazd formy, a następnie wyfrezowaniu nowych płytek stempla, idealnie spasowanych z formą. Prefabrykaty wówczas mają zwiększoną szerokość oraz długość, dopuszczalne zgodnie z normą [1]. W tab. 1 normy zapisa­no, że dla kostek o grubości do 100 mm dopuszczalne tolerancje produk­cyjne długości i szerokości wynoszą +/- 2 mm, natomiast dla grubości ponad 100 m +/- 3 mm. Tak „napra­wione” formy wytrzymują dodatkowo w produkcji ok. 30 tys. cykli. W tym czasie boczne utwardzenie materiału ściany praktycznie znika, dzięki cze­mu ścieranie stalowej formy jest już niekontrolowane. Forma po ok. maks. 100 tys. cykli ulega całkowitemu zu­życiu i musi być wycofana.

Inaczej sytuacja wygląda w przypadku kostek bezfazowych: żywotność form produkcyjnych każdorazowo musi być kontrolowana przez zakładowe labora­torium w ramach zakładowej kontroli produkcji. Z powodu braku bocznych fazowań już niewielkie wypływki mogą powodować konieczność wysłania for­my do regeneracji (fot. 4, rys. 2).

Fot. 4 Kostka bezfazowa

Rys. 2 Schemat rozszalowania kostek niefazowanych

Wypływki i sposoby zabezpieczeń

W procesie pakowania, kiedy wypływki wystają ponad wierzchnią powierzch­nię, poszczególne warstwy układane są jedna na drugiej. Prefabrykaty warstwy górnej dociskają elementy warstwy dolnej, miażdżąc nadmiernie wystające fragmenty betonu (fot. 5 i 6). Transport palety transportowej pro­duktu powoduje drgania sprzyjające powstawaniu powierzchniowych prze­rysowań warstwy wierzchniej kostek betonowych, co może doprowadzić do reklamacji towaru. Dlatego też wy­pływki, które mają już 1-2 mm, mogą być nadmierne i tym samym dyskwa­lifikujące formę do dalszej produkcji. Z tego powodu po ok. 20-30 tys. cy­kli forma wysyłana jest do regeneracji (analogicznej jak w przypadku kostek fazowanych), po której może dodat­kowo wytrzymać ok. 15 tys. cykli. Formy do produkcji kostek z minifazą wymagają pośrednich terminów re­generacji oraz gwarantują pośrednie wydajności.

Fot. 5 Spakowane kostki bezfazowe na palecie transportowej

Fot. 6 Uszkodzenia krawędzi kostki bezfazowej

Tak zwane standardowe przemy­słowe kostki, np. Behaton, Holland, niezmiernie rzadko są zabezpieczane przed przerysowaniami. Pozostały asortyment tzw. wyrobów szlachet­nych producenci ochraniają przed przerysowaniami w dwojaki sposób:

• przełożenie poszczególnych warstw towaru materiałem, np. agrowłókniną (fot. 7),
• posypanie każdej warstwy drobinka­mi materiału tworzywowego (con­fetti) (fot. 8).

Oba rozwiązania mają za zadanie odcięcie bezpośredniego kontaktu między kolejnymi cyklami kostek oraz zapewnienie „oddychania” świeżych prefabrykatów. Pierwsze rozwiązanie jest skuteczniejsze, gdyż materiał zatrzymuje drobinki wykruszonego betonu, zabezpieczając przed ich opadaniem w dół, między odbojnika­mi kostek. Gwarantuje ono również lepszą ochronę w przypadku nierów­nych, tzw. ryflowanych, powierzchni oraz tych dodatkowo obrabianych w procesach: płukania, młoteczko­wania, śrutowania, obijania, szczot­kowania i innych. Wykonawcy często wykorzystują materiał przekładek na budowie pomiędzy podsypkę piaskową a kostki jako warstwę agrowłókniny, zabezpieczającą przed przyszłą ro­ślinnością.

Fot. 7 Zabezpieczenie warstw kostek agrowłókniną

Fot. 8 Zabezpieczenie warstw kostek drobinkami tworzywa sztucznego

Przyczyny uszkodzeń krawędziowych

Najbardziej narażone na uszkodzenia są zawsze krawędzie betonowych ko­stek brukowych. Spowodowane jest to koncentracją naprężeń (docisku). Autor wielokrotnie spotkał się z py­taniem, czy kostki niefazowane mają niższą nośność (trwałość) w porów­naniu z kostkami fazowanymi? Analiza dylatowań konstrukcji niefazowanych posadzek przemysłowych oraz dróg szybkiego ruchu (dróg ekspresowych i autostrad) potwierdziła brak jakich­kolwiek uszkodzeń niefazowanych kra­wędzi betonu (fot. 9).

Teza ta znajduje potwierdzenie w kla­sie betonu, betonowych kostek bruko­wych, mających wytrzymałość na ści­skanie kilka klas wyższą od konstrukcji betonowych lanych na mokro na bu­dowie. Konstrukcję betonową lokalnie może uszkodzić materiał o wyższej twardości. Dlatego też uszkodzenia można zaobserwować po kontakcie powierzchni betonowej z np.: formami stalowymi na halach produkcyjnych, wózkami transportowymi ze stalowy­mi kółkami i innymi.

Fot. 9 Widok bezfazowej dylatacji posadz­ki przemysłowej (zabezpieczonej materiałem elastycznym)

Dodatkowo, co niezwykle ważne, w przypadku dwuwarstwowej kon­strukcji betonowych kostek bruko­wych warstwa wierzchnia, pomimo mniej szczelnego stosu okruchowe­go (uziarnienie 0-3 mm), każdorazo­wo powinna być bogatsza w cement z powodu rygorystycznych wymogów jakościowo-trwałościowych: mrozoodporności, odporności na ścieranie. Dobrze zaprojektowana receptura mieszanki betonowej przy spełnieniu przez beton powyższych parametrów w większości przypadków gwarantuje spełnienie wymaganej wytrzymałości mechanicznej.

Elementem mogącym mieć wpływ na powstawanie potencjalnych uszkodzeń krawędziowych kostek jest ich niewła­ściwe ułożenie lub ułożenie bez odpo­wiedniego wypełnienia krawędzi wzdłuż bocznych odbojników (dylatacji). Czę­sto stosowane wstępne zawibrowanie podsypki piaskowej powoduje w przy­padku prefabrykatów o deklarowanej grubości 80 mm oraz możliwych róż­nicach w ich wysokości (+/- 3 mm) 77 mm i 83 mm powierzchniowe znisz­czenie struktury betonu od przejazdu płyty wibracyjnej [8].

dr inż. Grzegorz Śmiertka

Literatura

1. PN-EN 1338 Betonowe kostki brukowe. Wymagania i metody badań.
2. Aprobata techniczna AT/98-03-0325, Betonowa kostka brukowa RAWBRUK, ZPB Kaczmarek.
3. PN-B-03264 Konstrukcje betonowe,
4. żelbetowe i sprężone. Obliczenia sta­tyczne i projektowanie.
5. PN-EN 206 Beton. Wymagania, właści­wości, produkcja i zgodność.
6. PN-EN 1992 Projektowanie konstrukcji z betonu.
7. Materiały reklamowe producentów be­tonowej galanterii drogowej.
8. T. Kopta, Standardy dla trasy rowero­wej realizowanej w ramach Programu Operacyjnego Rozwój Polski Wschod­niej, PARP Kraków, 2010.
9. G. Śmiertka, Betonowe płyty brukowe. Projektowanie, produkcja i montaż, „Inżynier Budownictwa” nr 4/2015.
10. G. Śmiertka, Czy tylko nawierzchnie asfaltowe sprzyjają aktywnemu wypo­czynkowi na rowerze? „Inżynier Budow­nictwa” nr 3/2017.