Co je poškození cykly zmrazování a rozmrazování u betonových vozovek?

Poškození cykly zmrazování a rozmrazování u betonových vozovek

Poškození cykly zmrazování a rozmrazování je zhoršení, které způsobuje opakované zmrazování a rozmrazování vody v betonu. Na letištních deskách se projevuje odlupováním, D-praskáním a vylomeninami.

Jak zmrazování beton poškozuje

Cementová pasta drží vodu v gelových pórech a ve větších kapilárních pórech. Voda v gelových pórech nemůže zmrznout nad -78 °C. Kapilární póry jsou mnohem větší. Voda se při zmrznutí roztáhne přibližně o 9 procent. Tři jevy promění toto roztažení v poškození.

• Hydraulický tlak. Jak se tvoří led, nezmrzlá voda je tlačena kapilárními póry pryč od místa mrznutí. Tlak roste, když mrznutí probíhá rychleji, když je cesta proudění delší a když je pasta méně propustná.
• Osmotický tlak. Led odmítá rozpuštěné ionty, takže zbylá voda se koncentruje. To přitahuje více vody k ledu a přidává tlak.
• Kritické nasycení. Beton trpí tímto poškozením jen tehdy, když jsou kapiláry v pastě zaplněny z více než 91,7 procenta. Částečně zaplněné póry mohou roztažení pojmout. Kritické nasycení může nastat lokálně v pastě.

Nasycení je proto prvním faktorem. Beton, který zůstává suchý, netrpí. FAA AC 150/5320-6G mezi příčinami trvanlivostních problémů betonu uvádí vysoký počet cyklů zmrazování a rozmrazování. Dalšími jsou špatný návrh směsi, špatné provedení a netrvanlivé kamenivo.

Jak provzdušnění omezuje poškození

Beton obsahuje dva druhy vzduchu. Zachycený vzduch tvoří 1 až 3 procenta objemu v nepravidelných dutinách o velikosti 1 až 10 mm nebo více. Provzdušněný vzduch je soustava mnohem menších bublin s typickou střední velikostí asi 0,10 mm. Tyto bubliny vytváří přísada pro provzdušnění.

Provzdušněné dutiny působí jako místa pro uvolnění tlaku. Voda se přesune k dutině a led se tam může vytvořit bez nárůstu tlaku, pokud beton není zcela nasycen. Každá dutina chrání obal pasty kolem sebe. Faktor rozestupu je empirická hodnota největší vzdálenosti, kterou musí voda v pastě urazit, aby došla k dutině.

FHWA uvádí tato orientační pravidla:

• 6 ± 1 procento celkového vzduchu
• měrný povrch alespoň 24 mm²/mm³
• faktor rozestupu 0,20 mm (0,008 inch) nebo menší

FHWA dodává, že pro roztažení plně nasyceného betonu stačí jen asi 1,3 procenta celkového vzduchu. Uvádí také, že samotný objem vzduchu nestačí, protože menší dutiny chrání lépe. Tyto limity nemusí stačit u některých syntetických přísad.

Příručka kurzu FHWA uvádí obvyklé rozsahy, které zkoušky ASTM C457 nacházejí u provzdušněného betonu. Poměr pasty a vzduchu je 4 až 10, měrný povrch je 25 až 45 mm⁻¹ a faktor rozestupu je 0,1 až 0,2 mm. Faktor rozestupu je obecně nejvýznamnějším ukazatelem. Maximum pro střední expozici je obvykle 0,20 mm. Mírná expozice může připustit větší hodnoty a silná expozice může vyžadovat menší.

Obsah vzduchu doporučený položkou P-501 FAA

Pro letištní vozovku nechává položka P-501 AC 150/5370-10H na inženýrovi, aby zvolil obsah vzduchu. Volba závisí na úrovni expozice a největším rozměru kameniva. Tabulka uvádí doporučené hodnoty v procentech.

• Mírná expozice je vozovka, do které mrazicí nebo rozmrazovací látky nedosahují.
• Střední expozice je klima s mrazy. Beton není po dlouhou dobu mokrý před zmrznutím a na beton nepůsobí rozmrazovací látky.
• Silná expozice znamená rozmrazovací chemikálie nebo jiné agresivní látky. Zahrnuje také beton, který může být před zmrznutím silně nasycen trvalým stykem s vlhkostí nebo volnou vodou.

Dodavatel zkouší obsah vzduchu čerstvého betonu podle ASTM C231. U strusky a jiného velmi pórovitého hrubého kameniva je zkouškou ASTM C173.

Jak se projevuje na desce

• Odlupování je ztráta povrchu desky. FAA AC 150/5380-6C uvádí, že povrch oslabený nevhodným ošetřováním nebo úpravou může spolu s cykly zmrazování a rozmrazování vést k odlupování.
• D-praskání je vzor trhlin rovnoběžných se spárou nebo trhlinou, s tmavým zabarvením kolem jemných trhlin. Může vést k rozpadu do 1 až 2 ft (0,3 až 0,6 m) od spáry nebo trhliny.
• Vylomeniny (popouts) jsou malé kusy, které se odlomí z povrchu. Mají asi 1 až 4 palce (25 až 100 mm) napříč a 1/2 až 2 palce (13 až 50 mm) do hloubky.

Nejvážnější poškození vzniká podél spár a v rozích desek, protože tam je vlhkost nejvyšší.

Jak poznat jednotlivé případy

Příručka PAVER odlišuje ASR od D-praskání podle trhlin kolmých na líc spáry. Od mapového praskání a odlupování ho odlišuje známkami roztažení. ASR potvrzují jen odvrty a petrografická analýza.

Není to totéž co mrazový zdvih

Mrazový zdvih je problém zeminy pod deskou. FAA AC 150/5320-6G uvádí, že potřebuje zeminu citlivou na mráz, teplotu pod bodem mrazu v této zemině a volnou vlhkost, která vytváří ledové čočky. Poškození cykly zmrazování a rozmrazování je problém samotného betonu.

Co to zhoršuje

• Nedostatečné provzdušnění pro dané klima. Příručka PAVER to uvádí jako materiálovou vadu, která způsobuje odlupování. Postihuje několik desek ze stejných betonových dávek.
• Zmrznutí před dosažením pevnosti betonu. Příručka PAVER to uvádí jako environmentální příčinu odlupování.
• Špatná úprava povrchu a ošetřování. Příručka PAVER uvádí jako konstrukční vady, které způsobují odlupování, přehlazení, přidávání vody na povrch při úpravě a nedostatečné ošetřování.
• Expanzivní kamenivo. AC 150/5380-6C spojuje D-praskání a vylomeniny s expanzivním kamenivem.
• Voda, která nemůže odtékat. AC 150/5380-6C uvádí, že špatné podpovrchové odvodnění může přispívat k druhotným poškozením, jako je D-praskání.
• Rozmrazovací chemikálie. Položka P-501 zařazuje beton, který přichází do styku s rozmrazovacími chemikáliemi, do úrovně silné expozice.
• Asfaltový přeplátovaný povrch. AC 150/5320-6G uvádí, že závažnost trvanlivostních poruch se často zvyšuje po asfaltovém přeplátování, protože se na rozhraní zachytí více vlhkosti.

Jak se zkouší odolnost proti zmrazování

FHWA uvádí, že zkouška se obvykle zastaví, když relativní dynamický modul klesne pod 50 až 60 procent své počáteční hodnoty. Relativní dynamický modul se počítá z rezonanční frekvence hranolu. Položka P-501 používá výsledek ASTM C666 k přijetí hrubého kameniva. Viz oddíl o prevenci.

Prevence na letištní vozovce

Specifikace FAA, položka P-501, a její poznámky pro inženýra stanoví tato opatření. Poznámky jsou pokyny a inženýr je přizpůsobí projektu.

• Obsah vzduchu. Použijte tabulku výše pro úroveň expozice a velikost kameniva.
• Poměr voda ku cementovým pojivům. Poměr je od 0,38 do 0,45 hmotnostně. Inženýr stanoví maximum 0,45, pokud silná expozice vůči zmrazování a rozmrazování nebo rozmrazovacím látkám nevyžaduje nižší hodnotu. Poměr pod 0,38 vyžaduje schválení inženýra a FAA.
• Obsah cementových pojiv. Doporučuje se minimum 470 liber na krychlový yard (280 kg/m³). Tam, kde se očekává silná expozice vůči zmrazování a rozmrazování, rozmrazovacím látkám nebo síranům, má být minimum alespoň 517 liber na krychlový yard (310 kg/m³).
• Kamenivo. Inženýr vybírá největší velikost kameniva s ohledem na zranitelnost vůči zmrazování a rozmrazování. Tam, kde je D-praskání problémem, má hrubé kamenivo mít faktor trvanlivosti 95 nebo více podle ASTM C666. Kvalifikuje se také 20letá provozní zkušenost v podobných podmínkách bez D-praskání.
• Chert. Vylomeniny z chertu jsou v oblastech se zmrazováním a rozmrazováním známým problémem. P-501 omezuje chert s měrnou hmotností nižší než 2,40 na 0,1 procenta hmotnosti. Limit je 1,0 procenta v oblastech bez silného zmrazování a rozmrazování.
• Práce za chladného počasí. Dodavatel zastaví míchání, když teplota vzduchu klesne na 40 °F (4 °C). Míchání se obnoví při 35 °F (2 °C). RPR může práci písemně povolit. Beton musí mít při ukládání alespoň 50 °F (10 °C) a nikdy se nesmí ukládat na zmrzlý materiál.
• Ošetřování. Doba ošetřování je 7 dní. Za chladného počasí zůstává beton alespoň na 50 °F (10 °C) po dobu 72 hodin. Pak zůstává nad bodem mrazu po zbytek sedmi dnů.
• Zalévání spár. P-501 vyžaduje zalití spár podle položky P-604 nebo P-605. AC 150/5380-6C uvádí, že zalití trhlin zabraňuje vniknutí povrchové vlhkosti do konstrukce vozovky.
• Odvodnění. AC 150/5380-6C uvádí, že kritéria pro podpovrchový odvodňovací systém pod drahami a pojezdovými drahami jsou přísnější než pro odbavovací plochy.

FAA uvádí jako kamenivo, které splňuje požadavek zkoušky D-praskání, drcenou žulu, kalcitem tmelený pískovec, křemenec, čedič, diabas, ryolit a trapovou horninu. Musí přitom splnit i další kontrolní zkoušky P-501.

Poškození zmrazováním a rozmrazováním v asfaltu

Mechanismus se vzduchovými dutinami patří betonu. U letištního asfaltu AC 150/5380-6C FAA spojuje zmrazování a rozmrazování s výtluky. V severních oblastech se silnými cykly zmrazování a rozmrazování vznik výtluků zhoršuje a nemusí souviset jen s provozem. AC dodává, že výtluky nejsou na letištích běžnou poruchou. Uvádí také, že vlhkost v asfaltu může odloupat pojivo od kameniva.

Pro návrh směsi dává položka P-401 AC 150/5370-10H pravidlo pro zkoušku poměru pevnosti v tahu. V oblastech vystavených zmrazování a rozmrazování použijte kondicionování mrazem a rozmrazováním. Zkušební metoda je ASTM D4867.

Jak příručka PAVER hodnotí poškození

Příručka PAVER počítá poruchy na desku. Odlupování hodnotí podle nebezpečí FOD a D-praskání podle plochy a rozpadu.

• Odlupování, nízká: minimální ztráta povrchové pasty bez potenciálu FOD.
• Odlupování, střední: ztráta povrchové pasty s určitým potenciálem FOD, například uvolněná malta nebo uvolněné hrubé kamenivo.
• Odlupování, vysoká: beton s nízkou trvanlivostí, který nadále představuje vysoké nebezpečí FOD. Běžné zametání FOD nezastaví.
• D-praskání, nízká: vlasové trhliny na omezené ploše desky, například v jednom nebo dvou rozích podél jedné spáry. Rozpad nastal jen malý nebo žádný.
• D-praskání, střední: praskání pokrývá značnou plochu desky s malým rozpadem, nebo pokrývá omezenou plochu s chybějícími kusy.
• D-praskání, vysoká: praskání pokrývá značnou plochu desky s rozpadem nebo potenciálem FOD.
• Vylomeniny: příručka neuvádí úrovně závažnosti. Desku počítá, jen když průměrná hustota přesáhne přibližně tři vylomeniny na čtvereční yard (čtvereční metr).

Pokud se na desce počítá D-praskání, odlupování na této desce se nezaznamenává. Pokud je rohové nebo spárové odprýskávání způsobeno D-praskáním, zaznamená se jen D-praskání. Odlupování nízké závažnosti, tedy jemné vlasové praskání (crazing), se počítá jen tehdy, když je odlupování pravděpodobné během 2 až 3 let.

Co s tím dělat

Příručka PAVER uvádí, že zametání odstraní FOD z odlupování, ale beton se bude odlupovat dál, dokud nezmizí postižená hloubka. U vylomenin uvádí AC 150/5380-6C jedno opatření: odstranit FOD.

Metoda opravy tuhé vozovky závisí na typu poruchy, klimatu, zkušenostech a dostupných materiálech. AC uvádí zalévání trhlin a spár, opravu části hloubky a opravu celé hloubky. Oprava části hloubky se hodí na odprýskávání spáry, tedy rozpad okraje desky do 2 ft (0,6 m) od spáry. Oprava tenčí než 2 palce (5 cm) se na letištní vozovce obvykle rychle zhorší.

Při kontrole letiště

Průzkum vozovky zaznamenává poruchu a její závažnost. Příčinu nezaznamenává. D-praskání a odlupování jsou samostatné typy poruch a na jedné desce příručka PAVER počítá jen D-praskání. TarmacView plánuje průzkumové lety nad vozovkou a snímky pořizuje již dnes. Detekce trhlin a hodnocení ASTM D5340 se vyvíjejí a nabízejí se v rané přístupové verzi.