Pianobeton przy budowie dróg

Pianobeton jako alternatywne rozwiązanie przy budowie dróg

W związku z sukcesywnie rosnącym zapotrzebowaniem na nowe inwestycje liniowe (drogi i związaną z nimi insfrastrukturę drogową) konieczne staje się zagospodarowywanie terenów o trudnych warunkach geotechnicznych, często charakteryzowanych jako grunty słabonośne, w tym grunty zawierające warstwy (przewarstwienia) organiczne, grunty antropogeniczne czy grunty na terenach oddziaływań górniczych. Wiąże się to z koniecznością wzmocnienia podłoża gruntowego. W ostatnich latach wraz z poszerzaniem się współczesnej wiedzy inżynierskiej oraz pojawianiem się nowych technologii następuje ciągły rozwój dziedziny geotechniki w zakresie wzmacniania słabego podłoża. Wciąż jednak zachodzi potrzeba poszukiwania nowych, alternatywnych rozwiązań. Przykładem może być zastosowanie pianobetonu w kontakcie z podłożem gruntowym [1-3]. Dotychczas pianobeton był stosowany np. przy przebudowie dróg lokalnych [1,2], przy poszerzaniu pasów jezdni [1,4] i tworzeniu miejsc postojowych – fot. 1 [6-8]. Wciąż jednak są to zastosowania jednostkowe, eksperymentalne. Niniejszy artykuł jest odpowiedzią na potrzeby drogownictwa, wskazuje możliwości wykorzystania pianobetonu i kierunki badań w tym zakresie.

Fot. 1. Próba zastosowania pianobetonu na parkingu w Trencinie, Słowacja [8, 9]

Charakterystyka pianobetonu

Parametry stwardniałego pianobetonu

Pianobeton klasyfikuje się jako beton lekki o większej niż 20% objętości porów w zaczynie cementowym, wytworzonych przy zastosowaniu odpowiedniego środka pianotwórczego [1]. Charakteryzuje się specyficznymi cechami, takimi jak: dobra płynność, samozagęszczalność, samopo- ziomowanie, stabilność wymiarowa i przede wszystkim mała gęstość (w zakresie od 200 do 1800 kg/m³) [10, 11].

Właściwości stwardniałego pianobetonu zależą ściśle od składu jego mieszanki (rys. 1) [1,10-15].

Rys. 1. Wpływ gęstości objętościowej na wytrzymałość na ściskanie (a) i rozciąganie (b) pianobetonu [12]

Zawartość środka pianotwórczego mieści się najczęściej w zakresie od 2 do 10% w stosunku do zawartości cementu, natomiast wskaźnik wody do spoiwa w/b w zakresie od 0,22 do 0,57 w zależności od rodzaju stosowanego cementu, dodatków i domieszek, np. [10, 16].

Żeby polepszyć parametry mechaniczne, można zastosować odpowiedni dodatek, np. piasek drobny w celu zwiększenia wytrzymałości na ściskanie oraz twardości, czy zbrojenie rozproszone – wytrzymałości na zginanie przy rozciąganiu, np. [17].

Popiół lotny lub pył krzemionkowy często jest stosowany w celu minimalizacji skurczu i jako zmniejszenie ilości zużywanego cementu, co wpływa na obniżenie kosztów produkcji materiału i jego energochłonności [10, 15]. W literaturze można także znaleźć badania wpływu zastosowania lokalnych materiałów odpadowych, np. z palm [18].

Pianobeton – zalety i ograniczenia stosowania

Możliwość uzyskania szerokiego zakresu gęstości i poszczególnych parametrów fizycznych, wbudowywania go w formie ciekłej, łatwy proces wytwarzania oraz niski koszt produkcji są głównymi zaletami pianobetonu, pozwalającymi na jego zastosowanie w różnych specyficznych rozwiązaniach [5, 6, 19, 20].

Szczególnie korzystną cechą pianobetonu jest mały ciężar, szybkość i łatwość prowadzenia prac z jego użyciem (związane głównie z brakiem konieczności wykonywania ciężkich i głębokich robót ziemnych) oraz niski koszt zabudowy.

Szacuje się, że ok. 30% niższy niż przy zastosowaniu tradycyjnych rozwiązań. Dodatkowo należy podkreślić, że wykorzystanie pianobetonu wpisuje się w działania na rzecz ochrony środowiska i zrównoważonego rozwoju, dzięki m.in. małemu zużyciu kruszyw jako składnika pianobetonu, oszczędności energii ze względu na mniejsze zapotrzebowanie cementu (którego produkcję uznaje się za bardzo energochłonną) do wytworzenia 1 m³ mieszanki. Zachodzi także możliwość częściowego zastępowania cementu popiołami, co dodatkowo wpływa na zagospodarowanie ubocznych produktów spalania. Dzięki zastosowaniu pianobetonu skrócony zostaje czas pracy maszyn budowlanych oraz nie ma konieczności stosowania np. dodatkowego zagęszczania (pianobeton jest samozagęszczalny i samopoziomujący), co wpływa z kolei na ograniczenie ilości szkodliwych związków emitowanych do środowiska przez maszyny budowlane.

Zastosowanie pianobetonu w kontakcie z podłożem wymaga określonych właściwości materiałowych i wytrzymałościowych, związanych z występującymi na danym terenie warunkami gruntowo-wodnymi.

Trwałość pianobetonu jest natomiast silnie uzależniona od stosowanego składu mieszanki, sposobu jej produkcji oraz czynników zewnętrznych, na które będzie narażony (takich jak temperatura, wilgoć itp.). Nieprawidłowości w tym zakresie mogą skutkować rozsegregowaniem materiału. Dlatego każdorazowo wbudowanie pianobetonu powinno zostać poprzedzone badaniami mieszanki i stwardniałego pianobetonu, odpowiednią analizą procesu technologicznego wytwarzania mieszanki i warunków dostawy na miejsce jej wbudowania oraz pracy samego pianobetonu w konstrukcji nawierzchni [21-23].

Czytaj też: (Nie)legalny beton towarowy

Pianobeton – przykłady zastosowania

Zastosowanie pianobetonu w konstrukcji nawierzchni drogowej

W literaturze przedmiotu można znaleźć zastosowanie pianobetonu w konstrukcjach nawierzchni drogowych głównie ze względu na panujące warunki gruntowo-wodne, tam gdzie tradycyjne rozwiązania nie mogły być wykonane. Z takich powodów pianobeton został użyty w konstrukcji nawierzchni nowo wybudowanej strefy przemysłowej Hertford- shire (UK) [24]. W USA pianobeton był wykorzystany w konstrukcji nawierzchni autostrady Northwest Highway (US Route 14), której łączna długość to 2300 km; wykonana została warstwa pianobetonu gęstości 410 i 590 kg/m³ o grubości do 1,2 m (w miejscach uzupełnienia istniejącej warstwy z pianobetonu, ułożonej na słabym podłożu) i szerokości od 1 do 12 m. Łącznie wbudowano ponad 13 000 m³ pianobetonu [2]. Innym przykładem jest czteropasmowa droga The Central Road w Schaumburg w stanie Illinois (USA), która na długości przekraczającej 3 km została przebudowana wraz z usprawnieniem odwodnienia (fot. 2).

Fot. 2. Zastosowanie pianobetonu: a, b) przy przebudowie nawierzchni autostrady Central Road [24], c) przy naprawie drogi powiatowej w Kórniku [7]

Lekkie wypełnienie z dwóch warstw z pianobetonu o gęstości 400 kg/m³ i 500 kg/m³ oraz grubościach odpowiednio 0,9 i 0,6 m [24] wykonano ze względu na podłoże o charakterze bagiennym, z zalegającymi na głębokości 3-5 m pod powierzchnią terenu miękkoplastycznymi gruntami organicznymi (m.in. torfem). Przykładem krajowego zastosowania pianobetonu w kontakcie z podłożem gruntowym o mniejszej nośności niż wymagana, zgodnie „Katalogiem typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych KTKNPP-2012”, jest inwestycja wykonana w ramach projektu badawczego. Poligon badawczy został zbudowany na działce przeznaczonej pod zabudowę drogi wewnętrznej do posesji prywatnej przy ul. Polnej w Ornontowicach k. Mikołowa (województwo śląskie). Wykonano warstwę z pianobetonu o gęstości ok. 900 kg/m³ i grubości 0,15 m (fot. 3). Dokładny opis prac przedstawiono w [25].

Fot. 3. Wbudowywanie mieszanki pianobetonowej na poligonie doświadczalnym (fot. autorki)

Na podstawie wyników pomiarów in situ z poligonu badawczego oraz wyników analiz numerycznych [26, 27] wykazano możliwość wbudowania pianobetonu w dolne warstwy konstrukcji nawierzchni (podbudowę pomocniczą) zgodnie z rozwiązaniami przedstawionymi w „Katalogu typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych KTKNPP-2012”.

Zaobserwowano inny rozkład temperatur niż w przypadku konstrukcji o tradycyjnym układzie warstw, co może stanowić podstawę do braku konieczności respektowania wymagań ze względu na wysadzinowość gruntów, wymaga to jednak dalszych obserwacji. W ramach dalszych prac autorka planuje wykonanie poligonów testowych odcinków dróg, gdzie pianobeton zostanie wbudowany w warstwy podbudowy zasadniczej. Doświadczenia te pozwolą na wyciągnięcie ogólniejszych wniosków dotyczących zastosowania pianobetonu bezpośrednio pod warstą wierzchnią dla konkretnych warunków gruntowo-wodnych oraz projektowanego obciążenia ruchem pojazdów.

Inną formą wzmocnienia podłoża przez zastosowanie pianobetonu stosowaną na całym świecie jest wypełnianie pustych przestrzeni w gruncie, np. powstałych wskutek trzęsienia ziemi w San Francisco [1,24].

Zastosowanie takie może być wyjątkowo cenne na terenach objętych oddziaływaniem eksploatacji górniczej w celu usunięcia deformacji nieciągłych (zapadlisk i lejów).

Zobacz: Wyburzanie dróg betonowych

Zastosowanie pianobetonu przy budowie infrastruktury technicznej i obiektów drogowych

Szersze zastosowanie w drogownictwie pianobeton ma w obiektach towarzyszących infrastrukturze drogowej i występujących w ciągu drogi, takich jak obiekty mostowe, przepusty, infrastruktura techniczna, gdzie szczególnie ze względu na łatwość rozprowadzania (w postaci ciekłej) jest wykorzystywany do roli wypełnień pustych przestrzeni (np. nad kolektorami w wykopach, przejściami podziemnymi, przepustami, tunelami metra [2, 5]. Jego mały ciężar stanowi wówczas dodatkową zaletę.

Pianobeton może stanowić także wypełnianie przestrzeni międzyrurowej instalacji lub przy studzienkach kanalizacyjnych (fot. 4).

Fot. 4. Wypełnienie pustych przestrzeni pianobetonem: a) [28], b) [7]

Obudowanie instalacji pianobetonem zapobiega ich osiadaniu i rozszczelnianiu, co wpływa na ich trwałość i szczelność, a tym samym na zmniejszenie kosztów z tytułu wykonywania ich naprawy lub wymiany. Przy budowie dróg szczególnie docenia się łatwość jego wbudowania, w wyniku czego skrócony zostaje czas wykonywania robót, a tym samym wyłączenia drogi z ruchu.

Jednym z największych projektów w Wielkiej Brytanii związanych z wypełnieniem wolnych przestrzeni pianobetonem jest tunel kolejowy Heathrow, gdzie zabudowano 145 000 m³ pianobetonu o gęstości 1400 kg/m³ [1,24]. Jako przykład krajowy można wymienić wypełnienie przestrzeni nad przepustami w ciągu drogi krajowej na odcinku Kostrzyń-Gorzów [7].

Innym przykładem jest wypełnienie pustej przestrzeni między poziomem drogi a łukami obiektów mostowych. Przykładem może być nowo wybudowany most wykonany przy wzmocnieniu mostu Kingston Bridge gdzie zastosowano pianobeton o gęstości 600 kg/m³ do poziomu 0,7 m pod poziomem drogi. Pozostały poziom został wypełniony pianobetonem o wyższej wytrzymałości 7,0 MPa (gęstość 1400 kg/m³). Docenienie zalet pianobetonu związanych z jego cechami materiałowymi, głównie małym ciężarem (gęstość 1200-1400 kg/m³), uwidacznia się także w zastosowaniach w strefach dojazdowych do obiektów mostowych [1,24], gdzie z jednej strony pełni funkcję wypełnienia, a z drugiej odciąża przyporę (fot. 3). Przykładem może być wiadukt w Wolsztynie na trasie Poznań – Zielona Góra (fot. 5).

Fot. 5 Wypełnienie przyczółka pianobetonem [29]

Pianobeton przy budowie dróg. Podsumowanie

W tekście przedstawiono możliwości zastosowania pianobetonu w drogownictwie wraz z podaniem przykładów. Najbardziej rozwojowym kierunkiem wdrożenia pianobetonu jest jego zastosowanie w kontakcie z rodzimym podłożem gruntowym. Należy jednak podkreślić, że takie zastosowanie pianobetonu to rozwiązanie stosunkowo nowe, najstarsze inwestycje o charakterze inżynierskim pochodzą z końca lat dziewięćdziesiątych. Wprowadzenie do powszechnego stosowania pianobetonu w kontakcie z podłożem wymaga zapewnienia dla tego wyrobu odpowiednich właściwości materiałowych i mechanicznych, związanych z występującymi na danym terenie uwarunkowaniami gruntowo-wodnymi oraz czynnikami zewnętrznymi, na które będzie narażony, takimi jak temperatura, wilgoć, a przede wszystkim prognozowane obciążenie. Parametry materiałowe i mechaniczne stwardniałego pianobetonu ściśle zależą od składu mieszanki, procesu technologicznego jego wytwarzania, sposobu dostawy na miejsce wbudowywania i samego sposobu wbudowywania, a jeden czynnik może wpłynąć na niepowodzenie całego procesu budowlanego. Dlatego wbudowywanie mieszanki pianobetonowej powinno się odbywać pod nadzorem osoby posiadającej doświadczenie w pracy z tym materiałem i być poprzedzone jej uczestnictwem przy projektowaniu składu mieszanki i procesu technologicznego wytwarzania mieszanki oraz jej wbudowywania w konstrukcję nawierzchni drogowej. Tylko uwzględnienie na etapie wbudowywania wszystkich czynników, wpływających na parametry stwardniałego pianobetonu pozwoli na skuteczne jego stosowanie, a tym samym obniżenie kosztów i czasu prowadzenia robót drogowych przy równoczesnym zapewnieniu dbałości o środowisko.

Podziękowania

W artykule zostały przedstawione wyniki badań i dokumentacje z wykonywania poligonu badawczego, uzyskane w wyniku realizacji projektu badawczego „Wzmacnianie słabego podłoża poprzez zastosowanie warstwy z pianobetonu w kontakcie z podłożem gruntowym” (LIDER/022/537/L-4/NCBR/2013), finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu LIDER IV.

Bibliografia

1. R.K. Dhir, M.D. Newlands, A. McCarthy, Use of foamed concrete in construction, Proceedings of the Conference held at the University of Dundee, Scotland, Uk, 2005, Thomas Telford, Dundee 2005.
2. PROVOTON Foam Concrete, a Division of Cematrix Corporation, Bristol, http://www.provoton.com/.
3. L. Fedorowicz, M. Kadela, Ł. Bednarski, Modelowanie zachowania pianobetonu w konstrukcjach warstwowych współpracujących z podłożem gruntowym, Zeszyty Naukowe WST, nr 6, 2014.
4. YL. Lee, K.S. Goh, H.B. Koh, B. Ismail, Foamed aggregate pervious concrete – an option for road on peat, Proceedings of MUCEET 2009, Malaysian Technical Universities Conference on Engineering and Technology, 2009, MS Garden, Kuantan, Pahang, Malaysia.
5. W. Tian, L. Li, X. Zhao, M. Zhou, N. Wamg, Application of foamed concret in road engineering, International Conference on Transportation Engineering ICTE 2009.
6. Allied Foam Tech. Montgomeryville, Pennsylvania, http://www.alliedfoamtech.com/.
7. Zakład Produkcji Różnej, Handlu i Usług „WAJM” sp. z o.o. http://www.pianobeton.pl/.
8. M. Drusa, L. Fedorowicz, M. Kadela, W. Scherfel, Application of geotechnical models in the description of composite foamed concrete used in contact layer with the subsoil, Proceedings on CD of the 10th Slovak Geotechnical Conference „Geotechnical problems of engineering constructions”, Bratislava, Slovak University of Technology, 2011.
9. L. Fedorowicz, M. Kadela, Foamed concrete used a subbase for some systems structure-subsoil, Proceedings on CD of the 7th congress Inzinierska Geológia 2012 Engineering Geology 2012 in Novy Smokovec, the city in Vysoke Tatry Mts.
10. M. Kadela, A. Kukiełka, Wpływ gęstości na wytrzymałość na ściskanie i zginanie stwardniałego pianobetonu [w:] „Trwałość budowli i ochrona przed korozją”, XX Konferencja Naukowo-Techniczna „Kontra 2016”, Warszawa – Gliwice – Szczyrk.
11. M. Kadela, A. Winkler-Skalna, B. Łoboda, A. Kukiełka, Pianobeton – charakterystyka materiałowa oraz możliwości zastosowania, „Materiały Budowlane” nr 7/2015.
12. M. Kozłowski, M. Kadela, Mechanical Characterization of Lightweight Foamed Concrete, Advances in Materials Science and Engineering Volume 2018, Article ID 6801258, s. 1-8, DOI: https://doi. org/10.1155/2018/6801258.
13. R. Ramamurthy, E.K. Kunhanandan Nambiar, G. Indu Siva Ranjani, A classification of studies on properties of foam concrete, „Cement and Concrete Composites” vol. 31(6), 2009, doi: 10.1016/j.cemconcomp.2009.04.006.
14. M. Kadela, A. Kukiełka, The influence of foaming agent in fresh concrete on elasticity modulus of hard foam concrete, Brittle Matrix Composite (11), Wydawnictwo Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa 2015.
15. M. Kadela, A. Kukiełka, A. Winkler-Skalna, Ocena nasiąkliwości i mrozoodporności pianobetonu, „Materiały Budowlane” nr 530 (10)/2016.
16. M.R. Jones, A. McCarthy, Preliminary views on the potential of foamed concrete as a structural materiał, „Magazine of Concrete Research” vol. 57, 2005.
17. H.Y Sun, A.M. Gong, YL. Peng, X. Wang, The Study of Foamed Concrete with Poly- propylene Fiber and High Volume Fly Ash, „Applied Mechanics and Materials” vol. 90-93, 2015.
18. H. Awang, M. Al-Mulali, Strength of sieved only oil palm ash foamed concrete, „International Journal of Engineering and Technology” vol. 8, 2016.
19. Lightweight foamed concrete. EABASSOC, http://www.eabassoc.co.uk/
20. M. Kadela, B. Babiak, Pianobeton w budownictwie komunikacyjnym, „Materiały Budowlane” nr 3/2018.
21. A. Cińcio, M. Kozłowski, M. Kadela, D. Dudek, Numerical degradation analysis of foamed concrete beam, in Proceedings of the 13th International Conference on New Trends in Statics and Dynamics of Buildings, Slovak University of Technology, Bratislava, Slovakia, 2015.
22. M. Kozłowski, M. Kadela, M. Gwóźdź-Lasoń, XFEM fracture analysis of notched foamed concrete beams, in Proceedings of the 13th International Conference on New Trends in Statics and Dynamics of Buildings, Slovak university of Technology, Bratislava, Slovakia, 2015.
23. M. Kozłowski, M. Kadela, Experimental and numerical investigation of fracture behavior of foamed concrete based on three-point bending test of beams with initial notch, Proceeding of the International Conference on Mechanical, Civil and Material Engineering, Barcelona, Spain, 2015.
24. M. Decky, M. Drusa, K. Zgutova, M. Blasko, M. Hajek, W. Scherfel, Foam concrete as new material in road constructions, Procedia engineering, World Multidisciplinary Civil Engineering-Architecture-Urban Planning Symposium 2016, WMCAUS 2016, vol. 161,2016.
25. M. Kadela, A. Kukiełka, D. Suchoń, K. Kompalla, Doświadczenia z wykonania nawierzchni drogowej z zastosowaniem pianobetonu, Monografie technologii betonu: X Konferencja Dni Betonu, „Tradycja i nowoczesność”, Wisła 2018, t. 2, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2018.
26. M. Kadela, Wzmocnienie podłoża poprzez zastosowanie warstwy z pianobetonu, „Magazyn Autostrady” nr 5/2018.
27. M. Kadela, Zastosowanie pianobetonu w warstwach konstrukcji nawierzchni drogowej, Czasopismo inżynierii lądowej, środowiska i architektury JCEEA, t. XXXIV, z. 64 (3/I/17), 2017.
28. A. Chady, Zastosowanie pianobetonu przy realizacji systemów komunalnych, Muratorplus.pl z dnia 30.05.2007 r. http://www. muratorplus.pl/technika/kanalizacja-i-od- wodnienia/zastosowanie-pianobetonu-przy-realizacji-systemow-komunalnych_57589. html?&page=0
29. http://www.liderbudowlany.pl/artykul/252/ pianobeton-zastosowania#sthash. UPNYqvMv.dpuf

dr hab. inż, Marta Kadela, prof. ITB Instytut Techniki Budowlanej