Mi a fagyás-olvadás okozta károsodás a betonburkolatokban?
Fagyás-olvadás okozta károsodás betonburkolatokban
A fagyás-olvadás okozta károsodás az a romlás, amelyet a víz ismétlődő fagyása és olvadása okoz a betonban. Repülőtéri lemezeken felületi lepattogzásként, D-repedezésként és kipattogzásként (popout) jelentkezik.
Hogyan károsítja a fagyás a betont
A cementpép vizet tart a gélpórusokban és a nagyobb kapillárispórusokban. A gélpórusokban lévő víz -78 °C felett nem fagy meg. A kapillárispórusok jóval nagyobbak. A víz megfagyva nagyjából 9 százalékkal tágul. Három hatás alakítja ezt a tágulást károsodássá.
- Hidraulikus nyomás. Ahogy a jég képződik, a nem fagyott víz a kapillárispórusokon át nyomódik a fagyás helyétől távolabb. A nyomás akkor nő, ha a fagyás gyorsabb, ha az áramlási út hosszabb, és ha a pép kevésbé áteresztő.
- Ozmotikus nyomás. A jég kiszorítja az oldott ionokat, így a megmaradt víz töményebb lesz. Ez több vizet vonz a jég felé, és nyomást ad hozzá.
- Kritikus telítettség. A beton csak akkor szenved ilyen károsodást, ha a pépben lévő kapillárisok több mint 91,7 százalékban telítettek. A részben telített pórusok fel tudják venni a tágulást. A kritikus telítettség a pépen belül helyileg is kialakulhat.
A telítettség tehát az első tényező. Az a beton, amely száraz marad, nem szenved. Az FAA AC 150/5320-6G a beton tartóssági problémáinak okai közé sorolja a nagy számú fagyás-olvadás ciklust. További okok a gyenge keverékterv, a rossz kivitelezés és a nem tartós adalékanyag.
Hogyan korlátozza a légbuborékképzés
A beton kétféle levegőt tartalmaz. A bezárt levegő a térfogat 1–3 százaléka, szabálytalan, 1–10 mm vagy nagyobb üregekben. A bevitt légbuborékos levegő sokkal kisebb buborékokból álló rendszer, tipikus átlagos méretük körülbelül 0,10 mm. A légbuborékképző adalékszer hozza létre ezeket a buborékokat.
A bevitt üregek nyomáscsökkentő helyként működnek. A víz egy üreghez vándorol, és a jég ott nyomásfelépülés nélkül képződhet, ha a beton nincs teljesen telítve. Mindegyik üreg a körülötte lévő pépréteget védi. A távolsági tényező az a tapasztalati érték, amely a legnagyobb távolságot adja meg, amelyet a víznek a pépben meg kell tennie, hogy elérjen egy üreget.
Az FHWA ezeket a gyakorlati irányszámokat adja:
- 6 ± 1 százalék teljes légtartalom
- legalább 24 mm²/mm³ fajlagos felület
- legfeljebb 0,20 mm (0,008 hüvelyk) távolsági tényező
Az FHWA hozzáteszi, hogy a teljesen telített beton tágulásának felvételéhez nagyjából csak 1,3 százalék teljes légtartalom kell. Azt is kimondja, hogy a légtérfogat önmagában nem elég, mert a kisebb üregek jobban védenek. Ezek a határértékek egyes szintetikus adalékszerek esetén nem biztos, hogy elegendők.
Az FHWA tananyag-kézikönyve megadja a szokásos tartományokat, amelyeket az ASTM C457 vizsgálatok a légbuborékos betonban találnak. A pép-levegő arány 4 és 10 közötti, a fajlagos felület 25 és 45 mm⁻¹ közötti, a távolsági tényező pedig 0,1 és 0,2 mm közötti. A távolsági tényező általában a legfontosabb mutató. Közepes kitettségnél a felső határ általában 0,20 mm. Enyhe kitettség nagyobb értékeket is megengedhet, súlyos kitettség pedig kisebbeket követelhet meg.
Az FAA P-501 tétele által ajánlott légtartalom
Repülőtéri burkolatnál az FAA AC 150/5370-10H P-501 tétele a mérnökre bízza a légtartalom megválasztását. A választás a kitettségi szinttől és a legnagyobb adalékanyag-szemcsétől függ. A táblázat a javasolt értékeket százalékban adja meg.
| Kitettségi szint | 2 hüvelyk (50 mm) | 1-1/2 hüvelyk (37,5 mm) | 1 hüvelyk (25,0 mm) | 3/4 hüvelyk (19,0 mm) | 1/2 hüvelyk (12,5 mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Enyhe | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5 | 4,0 |
| Közepes | 4,0 | 4,5 | 4,5 | 5,0 | 5,5 |
| Súlyos | 5,0 | 5,5 | 6,0 | 6,0 | 7,0 |
- Enyhe kitettség az a burkolat, amelyet nem ér el a fagy vagy a jégmentesítő szer.
- Közepes kitettség a fagyos éghajlat. A beton nincs hosszú ideig nedves állapotban a fagyás előtt, és nem találkozik jégmentesítő szerrel.
- Súlyos kitettség jégmentesítő vegyszereket vagy más agresszív anyagokat jelent. Ide tartozik az a beton is, amely a fagyás előtt folyamatos nedvesség- vagy szabad víz-érintkezés miatt nagymértékben telítetté válhat.
A kivitelező a friss beton légtartalmát az ASTM C231 szerint vizsgálja. Salak és más nagyon porózus durva adalékanyag esetén a vizsgálat az ASTM C173.
A lemezen látható tünetek
- Lepattogzás a lemez felületének elvesztése. Az FAA AC 150/5380-6C szerint a nem megfelelő utókezelés vagy simítás által gyengített felület a fagyás-olvadás ciklusokkal együtt lepattogzáshoz vezethet.
- D-repedezés olyan repedésminta, amely a hézaggal vagy repedéssel párhuzamosan fut, a finom repedések körül sötét színnel. A hézagtól vagy repedéstől 1–2 láb (0,3–0,6 m) távolságon belül szétmálláshoz vezethet.
- Kipattogzás (popout) a felületről kitörő kis darabok. Átmérőjük körülbelül 1–4 hüvelyk (25–100 mm), mélységük 1/2–2 hüvelyk (13–50 mm).
A tartóssági problémák a hézagok mentén és a lemezsarkoknál a legsúlyosabbak, mert ott a nedvességszint a legmagasabb.
A esetek megkülönböztetése
| Károsodás | Hol és hogyan néz ki | Mit adnak meg az FAA-dokumentumok okként |
|---|---|---|
| Lepattogzás | A lemez felületének elválása vagy szétmállása a hiba mélységéig. Az építési hibák általában a lemez egy részét érintik. Az anyaghibák gyakran több lemezt érintenek. | Építési hibák, anyaghibák vagy környezeti tényezők. A fagyás-olvadás ezek egyike. |
| D-repedezés | Finom repedések egy hézaggal vagy vonalas repedéssel párhuzamosan, sötét színnel. | A beton a változó tágulású adalékanyagok miatt nem bírja ki a fagyás-olvadás ciklusokat. |
| Kipattogzás (popout) | Egyedi kis darabok hiányoznak a felületről. | Fagyás-olvadás hatása tágulékony adalékanyaggal. Egy nagy egyedi adalékanyag-darab vagy egy agyaggömb is okozhat kipattogzást. |
| Alkália-szilika reakció (ASR) | Térképszerű repedések, a hézag felületére merőleges repedések, gél vagy elszíneződés, és tágulás jelei. | Az alkáliák és az adalékanyag reaktív szilikája közötti kémiai reakció. Nem fagyás-olvadás okozta károsodás. |
A PAVER kézikönyv a hézagfelületre merőleges repedések alapján választja el az ASR-t a D-repedezéstől. A tágulás jelei alapján választja el az ASR-t a térképszerű repedezéstől és a lepattogzástól. Az ASR-t csak magfúrás és petrográfiai elemzés erősíti meg.
Nem azonos a fagyemelkedéssel
A fagyemelkedés a lemez alatti talaj problémája. Az FAA AC 150/5320-6G szerint ehhez fagyérzékeny talaj, a talajban fagypont alatti hőmérséklet és szabad nedvesség kell, amely jéglencséket hoz létre. A fagyás-olvadás okozta károsodás magának a betonnak a problémája.
Mi rontja a helyzetet
- Az éghajlathoz nem megfelelő légbuborékképzés. A PAVER kézikönyv ezt anyaghibaként nevezi meg, amely lepattogzást okoz. Több lemezt érint, amelyek ugyanabból a betontételből készültek.
- Fagyás a beton megszilárdulása előtt. A PAVER kézikönyv ezt a lepattogzás környezeti okaként sorolja fel.
- Rossz simítás és utókezelés. A PAVER kézikönyv a túlzott simítást, a simítás közben a felületre juttatott vizet és az utókezelés hiányát sorolja fel a lepattogzást okozó építési hibaként.
- Tágulékony adalékanyag. Az FAA AC 150/5380-6C a D-repedezést és a kipattogzást tágulékony adalékanyaghoz köti.
- El nem vezethető víz. Az AC 150/5380-6C szerint a rossz altalaj-vízelvezetés hozzájárulhat másodlagos károsodáshoz, például D-repedezéshez.
- Jégmentesítő vegyszerek. A P-501 tétel a jégmentesítő vegyszerekkel érintkező betont a súlyos kitettségi szintbe sorolja.
- Aszfaltos ráépítés. Az AC 150/5320-6G szerint a tartóssági károsodás súlyossága gyakran nő aszfaltos ráépítés után, mert a határfelületen több nedvesség reked be.
A fagyás-olvadásállóság vizsgálata
| Vizsgálat | Mit csinál | Eredmény |
|---|---|---|
| ASTM C666 vagy AASHTO T 161 | Betonprizmákat ciklizál 4 °C és -18 °C között hőmérsékleti kamrában. Minden ciklus 2–5 óráig tart. Az A eljárás vízben fagyasztja a próbatesteket. A B eljárás levegőben fagyasztja őket. | A relatív dinamikus modulus csökken, ahogy a mikrorepedések nőnek. A tartóssági tényező a teljesített ciklusok és a tervezett ciklusok (általában 300) hányadosa, szorozva a relatív dinamikus modulussal. |
| ASTM C672 | Betonfelületet borít 6 mm kalcium-klorid-oldattal (4 g 100 mL vízben). Minden ciklusban 16–18 órát fagy, és 6–8 órát olvad levegőn. | A vizsgáló leöblíti a felületet, és ötciklusonként vizuálisan minősíti a lepattogzást. A vizsgálat körülbelül 50 cikluson át tart. |
| ASTM C457 | Megszilárdult beton egy szakaszát vizsgálja mikroszkóppal. Lineáris bejárásos vagy pontszámlálási módszert használ. | Az eredmény megadja az üregek gyakoriságát, a fajlagos felületet, a távolsági tényezőt és a pép-levegő arányt. |
Az FHWA szerint a vizsgálat általában akkor áll le, amikor a relatív dinamikus modulus a kezdeti érték 50–60 százaléka alá csökken. A relatív dinamikus modulust a próbatest rezonanciafrekvenciájából számítják. A P-501 tétel az ASTM C666 eredményét használja a durva adalékanyag elfogadásához. Lásd a megelőzésről szóló részt.
Megelőzés a repülőtéri burkolaton
Az FAA P-501 tételének előírásai és a mérnöknek szóló megjegyzései ezeket az intézkedéseket rögzítik. A megjegyzések iránymutatások, és a mérnök a projekthez igazítja őket.
- Légtartalom. A fenti táblázatot használja a kitettségi szinthez és az adalékanyag-mérethez.
- Víz-kötőanyag arány. Az arány tömegben 0,38 és 0,45 között van. A mérnök legfeljebb 0,45-öt ír elő, kivéve, ha súlyos fagyás-olvadás vagy jégmentesítő kitettség alacsonyabb értéket igényel. A 0,38 alatti arányhoz a mérnök és az FAA jóváhagyása kell.
- Kötőanyag-tartalom. Ajánlott legalább 470 font köbyardonként (280 kg/m³). Ha súlyos fagyás-olvadás, jégmentesítő vagy szulfátos kitettség várható, a minimumnak legalább 517 font köbyardonként (310 kg/m³) kell lennie.
- Adalékanyag. A mérnök a fagyás-olvadási érzékenységet figyelembe véve választja ki a legnagyobb adalékanyag-szemcsét. Ahol a D-repedezés aggályt okoz, a durva adalékanyagnak az ASTM C666 szerint legalább 95-ös tartóssági tényezőt kell elérnie. Hasonló körülmények között 20 éves, D-repedezés nélküli szolgálati múlt szintén megfelel.
- Kovakő (chert). A kovakő-kipattogzások ismert problémát jelentenek a fagyás-olvadásos területeken. A P-501 a 2,40-nél kisebb fajsúlyú kovakövet 0,1 százalék tömegarányban korlátozza. A határérték 1,0 százalék azokon a területeken, ahol nincs súlyos fagyás és olvadás.
- Hideg idős munka. A kivitelező leállítja a keverést, ha a levegő hőmérséklete csökkenve eléri a 40 °F-ot (4 °C). A keverés 35 °F-nál (2 °C) indul újra. Az RPR írásban engedélyezheti a munkát. A betont legalább 50 °F-on (10 °C) kell elhelyezni, és soha nem fagyott anyagra.
- Utókezelés. Az utókezelési idő 7 nap. Hideg időben a beton 72 órán át 50 °F (10 °C) vagy magasabb hőmérsékleten marad. Ezután a 7 nap hátralévő részében fagypont felett marad.
- Hézagtömítés. A P-501 a hézagok tömítését a P-604 vagy a P-605 tétel szerint írja elő. Az AC 150/5380-6C szerint a repedések tömítése távol tartja a felületi nedvességet a burkolat szerkezetétől.
- Vízelvezetés. Az AC 150/5380-6C szerint a futópályák és gurulóutak alatti altalaj-vízelvezető rendszer követelményei szigorúbbak, mint az előtereké.
Az FAA a zúzott gránitot, a kalcittal cementált homokkövet, a kvarcitot, a bazaltot, a diabázt, a riolitot és a trapp kőzetet sorolja fel azok között az adalékanyagok között, amelyek megfelelnek a D-repedezési vizsgálat követelményének. Ezeknek még meg kell felelniük a P-501 többi minőségi vizsgálatának.
Fagyás-olvadás okozta károsodás aszfaltban
A fent leírt légüreg-mechanizmus a betonra vonatkozik. Repülőtéri aszfaltnál az FAA AC 150/5380-6C a fagyás-olvadást a kátyúkhoz köti. Zord éghajlaton, súlyos fagyás-olvadási ciklusoknál a kátyúképződés rosszabbodik, és nem feltétlenül csak a forgalomtól függ. Az AC hozzáteszi, hogy a kátyú nem gyakori károsodás a repülőtereken. Azt is kimondja, hogy az aszfaltban lévő nedvesség a kötőanyag leválását okozhatja az adalékanyagról.
A keverék tervezéséhez az AC 150/5370-10H P-401 tétele szabályt ad a szakítószilárdság-arány vizsgálatára. Fagyás-olvadásnak kitett területeken alkalmazzon fagyás-olvadási kondicionálást. A vizsgálati módszer az ASTM D4867.
A PAVER kézikönyv minősítése
A PAVER kézikönyv lemezenként számolja a károsodást. A lepattogzást az FOD-veszéllyel, a D-repedezést a területtel és a szétmállással minősíti.
- Lepattogzás, alacsony: a felületi pép minimális elvesztése, FOD-potenciál nélkül.
- Lepattogzás, közepes: a felületi pép elvesztése némi FOD-potenciállal, például laza habarcs vagy laza durva adalékanyag.
- Lepattogzás, magas: alacsony tartósságú beton, amely továbbra is nagy FOD-veszélyt jelent. A rendszeres söprés nem állítja meg a FOD-ot.
- D-repedezés, alacsony: hajszálrepedések a lemez korlátozott területén, például egy hézag mentén egy vagy két sarokban. Kevés vagy semmi szétmállás nem történt.
- D-repedezés, közepes: a repedezés a lemez jelentős területét fedi, kevés szétmállással, vagy korlátozott területet fed, de hiányzó darabokkal.
- D-repedezés, magas: a repedezés a lemez jelentős területét fedi szétmállással vagy FOD-potenciállal.
- Kipattogzás (popout): a kézikönyv nem határoz meg súlyossági szinteket. A lemezt csak akkor számolja, ha az átlagos sűrűség meghaladja a körülbelül három kipattogzást négyzetyardonként (négyzetméterenként).
Ha egy lemezen D-repedezést számolnak, a lemez lepattogzását nem rögzítik. Ha a sarki vagy hézagkitöredezés D-repedezésből ered, csak a D-repedezést rögzítik. Az alacsony súlyosságú lepattogzást, vagyis a hajszálrepedezést (crazing), csak akkor számolják, ha a lepattogzás valószínű 2–3 éven belül.
Mit tegyünk
A PAVER kézikönyv megjegyzi, hogy a söprés eltávolítja a lepattogzás FOD-ját, de a beton addig pattogzik, amíg az érintett mélység el nem tűnik. A kipattogzásoknál az AC 150/5380-6C egyetlen intézkedést ad: távolítsa el a FOD-ot.
A merev burkolat javítási módja a károsodás típusától, az éghajlattól, a tapasztalattól és a rendelkezésre álló anyagoktól függ. Az AC felsorolja a repedések és hézagok tömítését, a részmélységű javítást és a teljes mélységű javítást. A részmélységű javítás a hézagkitöredezésre való, vagyis a lemezszél szétmállására a hézagtól 2 láb (0,6 m) távolságon belül. A 2 hüvelyknél (5 cm) vékonyabb javítás a repülőtéri burkolaton általában gyorsan romlik.
Repülőtéri vizsgálatban
A burkolatfelmérés a károsodást és annak súlyosságát rögzíti, az okát nem. A D-repedezés és a lepattogzás külön károsodástípus, és egy lemezen a PAVER kézikönyv csak a D-repedezést számolja. A TarmacView drónos burkolatfelméréseket tervez, és ma készít fotókat. A repedésészlelés és az ASTM D5340 szerinti minősítés fejlesztés alatt áll, korai hozzáférésben kínáljuk.
Gyakran Ismételt Kérdések
- Mi okozza a fagyás-olvadás okozta károsodást a betonban?
- A betonban lévő víz megfagy és tágul. Az FHWA szerint a tágulás nagyjából 9 százalék. A tágulás hidraulikus nyomást épít fel a cementpépben. Az FHWA szerint a beton csak akkor szenved ilyen károsodást, ha a pépben lévő kapillárisok több mint 91,7 százalékban telítettek.
- Hogyan védi a légbuborékképzés a betont a fagyás-olvadás okozta károsodástól?
- Az apró légbuborékok nyomáscsökkentő helyként működnek, és mindegyik a körülötte lévő pépet védi. Az FHWA a szokásos célértéket 6 ± 1 százalék teljes légtartalomban és legfeljebb 0,20 mm (0,008 hüvelyk) távolsági tényezőben adja meg. A távolsági tényező az a legnagyobb távolság, amelyet a víznek meg kell tennie, hogy elérjen egy légbuborékot.
- Hogyan vizsgálják a beton fagyás-olvadással szembeni ellenállását?
- A szokásos laboratóriumi vizsgálat az ASTM C666 (AASHTO T 161). Ez betonprizmákat ciklizál 4 °C és -18 °C között, és minden ciklus 2–5 óráig tart. A vizsgálat a relatív dinamikus modulust követi, és általában 300 cikluson át fut. Az ASTM C672 a felületi lepattogzással szembeni ellenállást vizsgálja jégmentesítő oldattal, az ASTM C457 pedig a megszilárdult beton légüregeit méri.
- Hogyan lehet megelőzni a fagyás-olvadás okozta károsodást?
- A megelőzés a keverék tervezésénél és a kivitelezésnél kezdődik. A repülőtéri burkolatoknál az FAA P-501 tétele a kitettségi szinthez tartozó légtartalmat és 0,38 és 0,45 közötti víz-kötőanyag arányt ír elő. Korlátozza az adalékanyagot olyan forrásokra, amelyeknél nincs D-repedezés, és 7 napos utókezelést ír elő, amely megvédi az új betont a fagyástól. Ezután a hézagok tömítése és a vízelvezetés tartja távol a vizet a lemeztől.
- Mi a fagyás-olvadásálló adalékanyag?
- Ez olyan durva adalékanyag, amely nem okoz D-repedezést, amikor a beton megfagy. Az FAA P-501 specifikációja elfogad olyan adalékanyagot, amelynek 20 éves szolgálati múltja van D-repedezés nélkül. Elfogad olyan adalékanyagot is, amelynek tartóssági tényezője az ASTM C666 szerint legalább 95. Az FAA a zúzott gránitot, a kvarcitot és a bazaltot sorolja fel azok között az adalékanyagok között, amelyek megfelelnek a D-repedezési vizsgálat követelményének.
- Okozza-e a fagyás-olvadás az aszfaltburkolat károsodását?
- Igen, de másképp. Az FAA AC 150/5380-6C szerint a súlyos fagyás-olvadási ciklusok rontják a kátyúképződést zord éghajlaton. Az aszfaltnak nincs olyan légüreg-védelme, mint a légbuborékos betonnak. Az FAA P-401 tétele fagyás-olvadási kondicionálást kér a szakítószilárdság-arány vizsgálatában a fagyás-olvadásnak kitett területeken.
- Mennyi levegőt kell tartalmaznia a repülőtéri burkolat betonjának?
- Az FAA nem ad meg egy értéket. Az AC 150/5370-10H P-501 tételében a mérnök választja meg a légtartalmat a kitettségi szinthez és a legnagyobb adalékanyag-szemcséhez. 3/4 hüvelyk (19,0 mm) adalékanyagnál a táblázat 3,5 százalékot ad enyhe kitettségre, 5,0 százalékot közepes kitettségre és 6,0 százalékot súlyos kitettségre.
- Miben tér el a D-repedezés a lepattogzástól?
- A D-repedezés olyan repedésminta, amely egy hézaggal vagy repedéssel párhuzamosan fut, a finom repedések körül sötét színnel. A lepattogzás a lemez felületének elvesztése. Egy lemezen a PAVER kézikönyv csak a D-repedezést számolja, a lepattogzást nem.
Hivatkozások
- fhwa-hrt-06-117
- Freeze-Thaw Resistance of Concrete With Marginal Air Content (FHWA-HRT-06-117) FHWA
- fhwa-hrt-06-118
- Freeze-Thaw Resistance of Concrete With Marginal Air Content (FHWA-HRT-06-118) FHWA
- fhwa-hmec-module-g
- Testing Hardened Concrete, Participant Workbook, Laboratory Manual (Module G) FHWA, Highway Materials Engineering Course
- faa-ac-150-5370-10h
- AC 150/5370-10H, Standard Specifications for Construction of Airports FAA
- faa-ac-150-5380-6c
- AC 150/5380-6C, Guidelines and Procedures for Maintenance of Airport Pavements FAA
- faa-paver-concrete
- PAVER Distress Identification Manual, Concrete Surfaced Airfields US Army Corps of Engineers ERDC-CERL
- faa-ac-150-5320-6g
- AC 150/5320-6G, Airport Pavement Design and Evaluation FAA
Ez egy referenciabejegyzés. A TarmacView drónos ellenőrzési szolgáltatásokat nyújt, és nem árulja az ebben a szószedetben leírt felszereléseket vagy anyagokat.
