Czym są uszkodzenia mrozowe nawierzchni betonowych?

Uszkodzenia mrozowe nawierzchni betonowych

Uszkodzenia mrozowe to degradacja, którą w betonie powoduje wielokrotne zamarzanie i rozmarzanie wody. Na płytach lotniskowych objawia się łuszczeniem, pęknięciami D-cracking i odpryskami.

Jak zamarzanie uszkadza beton

Zaczyn cementowy zatrzymuje wodę w porach żelowych i w większych porach kapilarnych. Woda w porach żelowych nie może zamarznąć powyżej -78 °C. Pory kapilarne są znacznie większe. Woda zwiększa objętość o około 9 procent, gdy zamarza. Trzy zjawiska zamieniają to rozszerzanie w uszkodzenie.

• Ciśnienie hydrauliczne. Gdy tworzy się lód, niezamarznięta woda jest wypychana przez pory kapilarne, z dala od miejsca zamarzania. Ciśnienie rośnie, gdy zamarzanie jest szybsze, gdy droga przepływu jest dłuższa i gdy zaczyn jest mniej przepuszczalny.
• Ciśnienie osmotyczne. Lód odrzuca rozpuszczone jony, więc woda, która zostaje, staje się bardziej stężona. To ściąga więcej wody w stronę lodu i dodaje ciśnienia.
• Krytyczne nasycenie. Beton ulega temu uszkodzeniu tylko wtedy, gdy kapilary w zaczynie są wypełnione w więcej niż 91,7 procent. Częściowo wypełnione pory mogą przyjąć rozszerzanie. Krytyczne nasycenie może wystąpić lokalnie w zaczynie.

Nasycenie wodą jest więc pierwszym czynnikiem. Beton, który pozostaje suchy, nie ulega uszkodzeniu. AC 150/5320-6G FAA wymienia dużą liczbę cykli zamrażania i rozmarzania wśród przyczyn problemów z trwałością betonu. Innymi są złe projektowanie mieszanki, złe wykonanie i nietrwałe kruszywo.

Jak napowietrzenie ogranicza uszkodzenia

Beton zawiera dwa rodzaje powietrza. Powietrze uwięzione stanowi 1 do 3 procent objętości, w nieregularnych pustkach o wymiarze 1 do 10 mm lub więcej. Powietrze napowietrzone to układ znacznie mniejszych pęcherzyków o typowej średniej wielkości około 0,10 mm. Te pęcherzyki tworzy domieszka napowietrzająca.

Pory napowietrzone działają jak miejsca odprężenia ciśnienia. Woda przemieszcza się do pustki i lód może tam powstać bez narastania ciśnienia, jeśli beton nie jest w pełni nasycony. Każda pustka chroni otaczającą powłokę zaczynu. Współczynnik rozstawu to wartość empiryczna, czyli maksymalna odległość, jaką woda musi przebyć w zaczynie, by dotrzeć do pustki.

FHWA podaje takie reguły praktyczne:

• 6 ± 1 procent całkowitej zawartości powietrza
• powierzchnia właściwa co najmniej 24 mm²/mm³
• współczynnik rozstawu 0,20 mm (0,008 in) lub mniej

FHWA dodaje, że do przejęcia rozszerzania w pełni nasyconego betonu wystarcza około 1,3 procent całkowitej zawartości powietrza. Stwierdza też, że sama objętość powietrza nie wystarcza, bo mniejsze pustki chronią lepiej. Te granice mogą nie być wystarczające dla niektórych syntetycznych domieszek.

Podręcznik kursu FHWA podaje zwykłe zakresy, jakie badania ASTM C457 wykazują w betonie napowietrzonym. Stosunek zaczyn-powietrze wynosi 4 do 10, powierzchnia właściwa 25 do 45 mm⁻¹, a współczynnik rozstawu 0,1 do 0,2 mm. Współczynnik rozstawu jest zwykle najważniejszym wskaźnikiem. Maksimum dla umiarkowanej ekspozycji to zwykle 0,20 mm. Łagodna ekspozycja może dopuszczać większe wartości, a silna może wymagać mniejszych.

Zawartość powietrza zalecana w pozycji P-501 FAA

Dla nawierzchni lotniskowej pozycja P-501 AC 150/5370-10H FAA pozwala inżynierowi wybrać zawartość powietrza. Wybór zależy od poziomu ekspozycji i największego wymiaru kruszywa. Tabela podaje zalecane wartości w procentach.

• Łagodna ekspozycja to nawierzchnia, do której nie docierają zamarzanie ani środki odladzające.
• Umiarkowana ekspozycja to klimat z mrozami. Beton nie jest przez długi czas mokry przed zamarznięciem i nie ma kontaktu ze środkami odladzającymi.
• Silna ekspozycja oznacza środki odladzające lub inne agresywne czynniki. Obejmuje też beton, który może być silnie nasycony w wyniku ciągłego kontaktu z wilgocią lub wodą swobodną przed zamarznięciem.

Wykonawca bada zawartość powietrza świeżego betonu według ASTM C231. Dla żużla i innego silnie porowatego grubego kruszywa badaniem jest ASTM C173.

Jak wygląda na płycie

• Łuszczenie to ubytek powierzchni płyty. FAA AC 150/5380-6C mówi, że powierzchnia osłabiona przez nieprawidłowe dojrzewanie lub wykończenie, wraz z cyklami zamrażania i rozmarzania, może prowadzić do łuszczenia.
• D-cracking to wzór pęknięć biegnących równolegle do spoiny lub pęknięcia, z ciemnym zabarwieniem wokół drobnych spękań. Może prowadzić do rozpadu w odległości 1 do 2 ft (0,3 do 0,6 m) od spoiny lub pęknięcia.
• Odpryski to małe fragmenty, które odpadają od powierzchni. Mają około 1 do 4 in (25 do 100 mm) szerokości i 1/2 do 2 in (13 do 50 mm) głębokości.

Problemy z trwałością są najpoważniejsze wzdłuż spoin i w narożach płyt, ponieważ tam wilgotność jest najwyższa.

Jak odróżnić przypadki

Podręcznik PAVER odróżnia ASR od D-cracking po pęknięciach prostopadłych do lica spoiny. Odróżnia ASR od spękań mapowych i łuszczenia po oznakach rozszerzania. Tylko odwierty rdzeniowe i analiza petrograficzna potwierdzają ASR.

Nie to samo co wysadziny mrozowe

Wysadziny mrozowe to problem gruntu pod płytą. AC 150/5320-6G FAA mówi, że wymagają one gruntu podatnego na mróz, temperatury zamarzania w tym gruncie oraz wolnej wilgoci, która tworzy soczewki lodu. Uszkodzenia mrozowe to problem samego betonu.

Co pogarsza sytuację

• Niewystarczające napowietrzenie do klimatu. Podręcznik PAVER wymienia to jako wadę materiałową powodującą łuszczenie. Dotyczy kilku płyt pochodzących z tych samych partii betonu.
• Zamarzanie przed uzyskaniem wytrzymałości przez beton. Podręcznik PAVER wymienia to jako środowiskową przyczynę łuszczenia.
• Złe wykończenie i dojrzewanie. Podręcznik PAVER wymienia nadmierne wykańczanie powierzchni, dodawanie wody na powierzchnię podczas wykańczania oraz brak dojrzewania jako wady wykonawcze powodujące łuszczenie.
• Kruszywo ekspansywne. FAA AC 150/5380-6C wiąże D-cracking i odpryski z kruszywem ekspansywnym.
• Woda, która nie może odpłynąć. AC 150/5380-6C mówi, że słaby drenaż podpowierzchniowy może przyczyniać się do wtórnych uszkodzeń, takich jak D-cracking.
• Środki odladzające. Pozycja P-501 zalicza beton, który styka się ze środkami odladzającymi, do poziomu silnej ekspozycji.
• Nakładka asfaltowa. AC 150/5320-6G mówi, że nasilenie uszkodzeń trwałości często rośnie po nałożeniu nakładki asfaltowej, bo na styku zatrzymuje się więcej wilgoci.

Jak bada się mrozoodporność

FHWA mówi, że badanie zwykle kończy się, gdy względny moduł dynamiczny spadnie poniżej 50 do 60 procent wartości początkowej. Względny moduł dynamiczny oblicza się z częstotliwości rezonansowej pryzmatu. Pozycja P-501 wykorzystuje wynik ASTM C666 do przyjęcia grubego kruszywa. Zobacz sekcję o zapobieganiu.

Zapobieganie na nawierzchni lotniskowej

Specyfikacja FAA Item P-501 i jej uwagi dla inżyniera określają te środki. Uwagi mają charakter wskazówek, a inżynier dostosowuje je do projektu.

• Zawartość powietrza. Użyj tabeli powyżej dla poziomu ekspozycji i wymiaru kruszywa.
• Stosunek wody do spoiwa. Stosunek wynosi od 0,38 do 0,45 wagowo. Inżynier określa maksimum 0,45, chyba że silne zamarzanie i rozmarzanie lub ekspozycja na środki odladzające wymagają niższej wartości. Stosunek poniżej 0,38 wymaga zgody Inżyniera i FAA.
• Zawartość spoiwa. Zaleca się minimum 470 funtów na jard sześcienny (280 kg/m³). Tam, gdzie spodziewana jest silna ekspozycja na zamarzanie i rozmarzanie, środki odladzające lub siarczany, minimum powinno wynosić co najmniej 517 funtów na jard sześcienny (310 kg/m³).
• Kruszywo. Inżynier wybiera największy wymiar kruszywa, mając na uwadze podatność na zamarzanie i rozmarzanie. Tam, gdzie występuje problem D-cracking, grube kruszywo musi mieć współczynnik trwałości 95 lub więcej w ASTM C666. Kwalifikuje się też 20-letnie doświadczenie eksploatacyjne w podobnych warunkach bez D-cracking.
• Krzemień (chert). Odpryski krzemienia są znanym problemem na obszarach zamarzania i rozmarzania. P-501 ogranicza krzemień o gęstości względnej poniżej 2,40 do 0,1 procent masy. Limit wynosi 1,0 procent na obszarach bez silnego zamarzania i rozmarzania.
• Praca w niskiej temperaturze. Wykonawca przerywa mieszanie, gdy spadająca temperatura powietrza osiągnie 40 °F (4 °C). Mieszanie wznawia się przy 35 °F (2 °C). RPR może zezwolić na pracę na piśmie. Beton musi mieć co najmniej 50 °F (10 °C) w chwili układania i nigdy nie może być układany na zamarzniętym podłożu.
• Dojrzewanie. Okres dojrzewania wynosi 7 dni. W zimnej pogodzie beton utrzymuje temperaturę 50 °F (10 °C) lub wyższą przez 72 godziny. Następnie pozostaje powyżej zera przez resztę 7 dni.
• Uszczelnienie spoin. P-501 wymaga uszczelnienia spoin zgodnie z pozycją P-604 lub P-605. AC 150/5380-6C mówi, że uszczelnianie pęknięć nie dopuszcza wilgoci z powierzchni do konstrukcji nawierzchni.
• Drenaż. AC 150/5380-6C mówi, że kryteria dla podpowierzchniowego systemu drenażu pod drogami startowymi i kołowania są bardziej rygorystyczne niż dla płyt postojowych.

FAA wymienia granit kruszony, piaskowiec cementowany kalcytem, kwarcyt, bazalt, diabaz, ryolit i skałę trapową jako kruszywa spełniające wymóg testu D-cracking. Muszą one nadal spełniać pozostałe testy jakości P-501.

Uszkodzenia mrozowe w asfalcie

Mechanizm opisany wyżej dotyczy betonu. Dla asfaltu lotniskowego FAA AC 150/5380-6C wiąże zamarzanie i rozmarzanie z wybojami. W północnych klimatach z ciężkimi cyklami zamrażania i rozmarzania powstawanie wybojów się nasila i może nie wynikać samo z ruchu. AC dodaje, że wyboje nie są częstym uszkodzeniem na lotniskach. Mówi też, że wilgoć w asfalcie może odspajać lepiszcze od kruszywa.

W projektowaniu mieszanki pozycja P-401 AC 150/5370-10H podaje zasadę dla testu stosunku wytrzymałości na rozciąganie. Na obszarach narażonych na zamarzanie i rozmarzanie stosuje się kondycjonowanie zamrażaniem i rozmarzaniem. Metodą badania jest ASTM D4867.

Jak podręcznik PAVER ocenia uszkodzenie

Podręcznik PAVER liczy uszkodzenia na płytę. Łuszczenie ocenia według zagrożenia FOD, a D-cracking według powierzchni i rozpadu.

• Łuszczenie, niskie: minimalny ubytek powierzchniowego zaczynu bez potencjału FOD.
• Łuszczenie, średnie: ubytek powierzchniowego zaczynu z pewnym potencjałem FOD, na przykład luźna zaprawa lub luźne grube kruszywo.
• Łuszczenie, wysokie: beton o niskiej trwałości, który nadal stwarza wysokie zagrożenie FOD. Zwykłe zamiatanie nie zatrzymuje FOD.
• D-cracking, niskie: włoskowate pęknięcia na ograniczonym obszarze płyty, na przykład w jednym lub dwóch narożach wzdłuż jednej spoiny. Rozpad jest niewielki lub go nie ma.
• D-cracking, średnie: pęknięcia obejmują znaczną część płyty przy niewielkim rozpadzie albo ograniczony obszar z brakującymi fragmentami.
• D-cracking, wysokie: pęknięcia obejmują znaczną część płyty z rozpadem lub potencjałem FOD.
• Odpryski: podręcznik nie definiuje poziomów nasilenia. Liczy płytę dopiero wtedy, gdy średnie zagęszczenie przekracza około trzy odpryski na jard kwadratowy (metr kwadratowy).

Jeśli D-cracking jest liczone na płycie, łuszczenie na tej płycie nie jest rejestrowane. Jeśli wykruszenia narożników lub spoin pochodzą od D-cracking, rejestruje się tylko D-cracking. Łuszczenie niskiego stopnia, czyli spękania siatkowe, liczy się tylko wtedy, gdy łuszczenie jest prawdopodobne w ciągu 2 do 3 lat.

Co z tym zrobić

Podręcznik PAVER zauważa, że zamiatanie usuwa FOD z łuszczenia, ale beton nadal się łuszczy, dopóki nie zniknie dotknięta głębokość. Dla odprysków AC 150/5380-6C podaje jedno działanie: usunąć FOD.

Metoda naprawy nawierzchni sztywnej zależy od rodzaju uszkodzenia, klimatu, doświadczenia i dostępnych materiałów. AC wymienia uszczelnianie pęknięć i spoin, naprawę częściowej głębokości oraz naprawę pełnej głębokości. Naprawa częściowej głębokości nadaje się do wykruszeń spoin, czyli rozpadu krawędzi płyty w odległości 2 ft (0,6 m) od spoiny. Naprawa cieńsza niż 2 in (5 cm) zwykle szybko się degraduje na nawierzchni lotniskowej.

W przeglądzie lotniska

Przegląd nawierzchni rejestruje uszkodzenie i jego stopień. Nie rejestruje przyczyny. D-cracking i łuszczenie to odrębne rodzaje uszkodzeń, a na jednej płycie podręcznik PAVER liczy tylko D-cracking. TarmacView planuje loty przeglądowe nawierzchni i wykonuje zdjęcia już dziś. Wykrywanie pęknięć i ocena według ASTM D5340 są w opracowaniu i oferowane jako wczesny dostęp.