Čo je poškodenie betónových vozoviek zamŕzaním a rozmŕzaním?

Poškodenie betónových vozoviek zamŕzaním a rozmŕzaním

Poškodenie zamŕzaním a rozmŕzaním je zhoršenie, ktoré v betóne spôsobuje opakované zamŕzanie a rozmŕzanie vody. Na letiskových platniach sa prejavuje odlupovaním, D-cracking a vývratmi.

Ako zamŕzanie poškodzuje betón

Cementová pasta drží vodu v gélových póroch a vo väčších kapilárnych póroch. Voda v gélových póroch nezamrzne nad -78 °C. Kapilárne póry sú oveľa väčšie. Voda pri zamŕzaní zväčší objem približne o 9 %. Tri účinky premieňajú toto rozpínanie na poškodenie.

• Hydraulický tlak. Pri tvorbe ľadu sa nezamrznutá voda tlačí cez kapilárne póry, preč od miesta zamŕzania. Tlak rastie, keď zamŕza rýchlejšie, keď je dráha prúdenia dlhšia a keď je pasta menej priepustná.
• Osmotický tlak. Ľad odmieta rozpustené ióny, takže zostávajúca voda je koncentrovanejšia. Ťahá tak viac vody k ľadu a pridáva tlak.
• Kritická nasýtenosť. Betón sa takto poškodí len vtedy, keď sú kapiláry v paste viac ako na 91,7 % plné. Čiastočne naplnené póry dokážu rozpínanie absorbovať. Kritická nasýtenosť môže nastať lokálne v paste.

Nasýtenie je preto prvý faktor. Betón, ktorý zostáva suchý, nie je poškodený. FAA AC 150/5320-6G uvádza vysoký počet cyklov zamŕzania a rozmŕzania medzi príčinami problémov s trvanlivosťou betónu. Ďalšie sú zlý návrh zmesi, zlá stavebná práca a nedostatočne trvanlivé kamenivo.

Ako napovietrenie obmedzuje poškodenie

Betón obsahuje dva druhy vzduchu. Zachytený vzduch tvorí 1 až 3 % objemu v nepravidelných dutinách s veľkosťou 1 až 10 mm alebo viac. Zavedený vzduch je systém oveľa menších bublín s typickou priemernou veľkosťou približne 0,10 mm. Tieto bubliny vytvára prísada na napovietrenie.

Zavedené dutiny slúžia ako miesta na uvoľnenie tlaku. Voda sa presúva do dutiny a ľad sa tam môže vytvoriť bez nárastu tlaku, ak betón nie je úplne nasýtený. Každá dutina chráni okolo seba škrupinu pasty. Faktor rozstupu je empirická hodnota pre najväčšiu vzdialenosť, ktorú musí voda prejsť v paste, aby dosiahla dutinu.

FHWA uvádza tieto praktické pravidlá:

• 6 ± 1 % celkového obsahu vzduchu
• špecifický povrch najmenej 24 mm²/mm³
• faktor rozstupu 0,20 mm (0,008 palca) alebo menej

FHWA dodáva, že na pojatie rozpínania úplne nasýteného betónu stačí približne 1,3 % celkového vzduchu. Tiež uvádza, že samotný objem vzduchu nestačí, pretože menšie dutiny chránia lepšie. Tieto limity nemusia stačiť pri niektorých syntetických prísadách.

Príručka kurzu FHWA uvádza obvyklé rozsahy, ktoré skúšky ASTM C457 nachádzajú v prevzdušnenom betóne. Pomer pasty a vzduchu je 4 až 10, špecifický povrch je 25 až 45 mm⁻¹ a faktor rozstupu je 0,1 až 0,2 mm. Faktor rozstupu je všeobecne najvýznamnejší ukazovateľ. Najvyššia hodnota pre stredné vystavenie je obvykle 0,20 mm. Mierna expozícia môže pripúšťať väčšie hodnoty a silná expozícia môže vyžadovať menšie.

Obsah vzduchu, ktorý odporúča položka P-501 FAA

Pre letiskové vozovky položka P-501 AC 150/5370-10H necháva inžiniera zvoliť obsah vzduchu. Voľba závisí od úrovne expozície a najväčšej veľkosti kameniva. Tabuľka uvádza odporúčané hodnoty v percentách.

• Mierna expozícia je vozovka, do ktorej nedosahuje zamŕzanie ani rozmrazovacie látky.
• Stredná expozícia je klíma so zamŕzaním. Betón nie je dlho mokrý pred zamrznutím a nevidí rozmrazovacie látky.
• Silná expozícia znamená rozmrazovacie chemikálie alebo iné agresívne látky. Zahŕňa aj betón, ktorý sa pred zamrznutím môže silno nasýtiť nepretržitým kontaktom s vlhkosťou alebo voľnou vodou.

Zhotoviteľ skúša obsah vzduchu čerstvého betónu podľa ASTM C231. Pri trosky a inom veľmi pórovitom hrubom kamenive je skúškou ASTM C173.

Ako to vyzerá na platni

• Odlupovanie je strata povrchu platne. FAA AC 150/5380-6C uvádza, že povrch oslabený nevhodným ošetrovaním alebo úpravou spolu s cyklami zamŕzania a rozmŕzania môže viesť k odlupovaniu.
• D-cracking je vzor trhlín rovnobežných so škárou alebo trhlinou, s tmavým sfarbením okolo jemných trhlín. Môže viesť k rozpadu do 1 až 2 stôp (0,3 až 0,6 m) od škáry alebo trhliny.
• Vývraty sú malé kúsky, ktoré sa odlomia z povrchu. Majú približne 1 až 4 palce (25 až 100 mm) v priemere a 1/2 až 2 palce (13 až 50 mm) do hĺbky.

Problémy s trvanlivosťou sú najvážnejšie pozdĺž škár a v rohoch platní, pretože tam je vlhkosť najvyššia.

Ako odlíšiť jednotlivé prípady

Manuál PAVER odlišuje ASR od D-cracking podľa trhlín kolmých na čelo škáry. Od mapového praskania a odlupovania ho odlišuje znakmi rozpínania. ASR potvrdí iba odber vzoriek jadrom a petrografická analýza.

Nie je to to isté ako mrazové dvíhanie

Mrazové dvíhanie je problém pôdy pod platňou. FAA AC 150/5320-6G uvádza, že vyžaduje pôdu citlivú na mráz, mrazivú teplotu v tejto pôde a voľnú vlhkosť, ktorá vytvára ľadové šošovky. Poškodenie zamŕzaním a rozmŕzaním je problém samotného betónu.

Čo to zhoršuje

• Nedostatočné napovietrenie pre klímu. Manuál PAVER to uvádza ako materiálovú chybu, ktorá spôsobuje odlupovanie. Postihuje viac platní, ktoré pochádzajú z tých istých dávok betónu.
• Zamrznutie pred nadobudnutím pevnosti. Manuál PAVER to uvádza ako environmentálnu príčinu odlupovania.
• Zlá úprava povrchu a ošetrovanie. Manuál PAVER uvádza ako stavebné chyby, ktoré spôsobujú odlupovanie, prehladenie, vodu pridanú na povrch pri úprave a absenciu ošetrovania.
• Expanzívne kamenivo. FAA AC 150/5380-6C spája D-cracking a vývraty s expanzívnym kamenivom.
• Voda, ktorá nemôže odtiecť. AC 150/5380-6C uvádza, že zlé podpovrchové odvodnenie môže prispievať k sekundárnym poruchám, ako je D cracking.
• Rozmrazovacie chemikálie. Položka P-501 zaraďuje betón, ktorý je vystavený rozmrazovacím chemikáliám, do úrovne silnej expozície.
• Asfaltový prekryv. AC 150/5320-6G uvádza, že závažnosť porúch trvanlivosti sa často po asfaltovom prekryve zvyšuje, lebo na rozhraní sa zachytáva viac vlhkosti.

Ako sa testuje odolnosť voči zamŕzaniu

FHWA uvádza, že skúška sa bežne zastaví, keď relatívny dynamický modul klesne pod 50 až 60 % počiatočnej hodnoty. Relatívny dynamický modul sa počíta z rezonančnej frekvencie hranola. Položka P-501 používa výsledok ASTM C666 na prijatie hrubého kameniva. Pozri časť o prevencii.

Prevencia na letiskovej vozovke

Špecifikácia FAA položka P-501 a jej poznámky pre inžiniera stanovujú tieto opatrenia. Poznámky sú usmernenie a inžinier ich prispôsobuje projektu.

• Obsah vzduchu. Použite tabuľku vyššie pre úroveň expozície a veľkosť kameniva.
• Pomer vody k cementovým zložkám. Pomer je medzi 0,38 a 0,45 hmotnostne. Inžinier stanoví najviac 0,45, pokiaľ silné zamŕzanie alebo vystavenie rozmrazovacím látkam nevyžaduje nižšiu hodnotu. Pomer nižší ako 0,38 potrebuje schválenie inžiniera a FAA.
• Obsah cementových zložiek. Odporúča sa najmenej 470 libier na kubickú yardu (280 kg/m³). Ak sa očakáva silné zamŕzanie, rozmrazovacie látky alebo síranová expozícia, minimum má byť najmenej 517 libier na kubickú yardu (310 kg/m³).
• Kamenivo. Inžinier vyberie najväčšiu veľkosť kameniva s ohľadom na náchylnosť na zamŕzanie. Ak je D-cracking problém, hrubé kamenivo potrebuje faktor trvanlivosti 95 alebo viac podľa ASTM C666. Kvalifikuje sa aj 20-ročná služba v podobných podmienkach bez D-cracking.
• Rohovec (chert). Vývraty z rohovca sú známy problém v oblastiach so zamŕzaním. P-501 obmedzuje rohovec ľahší ako 2,40 mernej hmotnosti na 0,1 % hmotnostne. Limit je 1,0 % v oblastiach bez silného zamŕzania a rozmŕzania.
• Práca za chladného počasia. Zhotoviteľ zastaví miešanie, keď teplota vzduchu klesne na 40 °F (4 °C). Miešanie sa obnoví pri 35 °F (2 °C). RPR môže prácu povoliť písomne. Betón musí mať pri ukladaní najmenej 50 °F (10 °C) a nikdy sa neukladá na zamrznutý materiál.
• Ošetrovanie. Doba ošetrovania je 7 dní. Za chladného počasia zostáva betón pri 50 °F (10 °C) alebo vyššie 72 hodín. Potom zostáva nad bodom mrazu počas zvyšku siedmich dní.
• Tesnenie škár. P-501 vyžaduje, aby sa škáry utesnili podľa položky P-604 alebo P-605. AC 150/5380-6C uvádza, že utesnenie trhlín udrží povrchovú vlhkosť mimo konštrukcie vozovky.
• Odvodnenie. AC 150/5380-6C uvádza, že kritériá pre podpovrchový odvodňovací systém pod dráhami a rolovacími dráhami sú prísnejšie ako pre odbavovacie plochy.

FAA uvádza ako kamenivá, ktoré spĺňajú požiadavku skúšky D-cracking, drvenú žulu, pieskovec spojený kalcitom, kremenec, bazalt, diabáz, ryolit a trap rock. Musia však stále spĺňať ďalšie skúšky kvality podľa P-501.

Poškodenie zamŕzaním v asfalte

Mechanizmus vzduchových dutín uvedený vyššie patrí betónu. Pre letiskový asfalt FAA AC 150/5380-6C spája zamŕzanie s výmoľmi. V severných klimatických oblastiach so silnými cyklami zamŕzania a rozmŕzania sa vznik výmoľov zhoršuje a nemusí súvisieť len s dopravou. AC dodáva, že výmole nie sú na letiskách bežnou poruchou. Uvádza tiež, že vlhkosť v asfalte môže oddeliť spojivo od kameniva.

Pre návrh zmesi dáva položka P-401 AC 150/5370-10H pravidlo pre skúšku pomeru pevnosti v ťahu. V oblastiach vystavených zamŕzaniu použite kondicionovanie zamŕzaním a rozmŕzaním. Metóda skúšky je ASTM D4867.

Ako manuál PAVER hodnotí túto poruchu

Manuál PAVER eviduje poruchy na platňu. Odlupovanie hodnotí podľa nebezpečenstva FOD a D-cracking podľa plochy a rozpadu.

• Odlupovanie, nízka: minimálna strata povrchovej pasty bez potenciálu FOD.
• Odlupovanie, stredná: strata povrchovej pasty s určitým potenciálom FOD, napríklad uvoľnená malta alebo uvoľnené hrubé kamenivo.
• Odlupovanie, vysoká: betón nízkej trvanlivosti, ktorý stále predstavuje vysoké nebezpečenstvo FOD. Bežné zametanie FOD nezastaví.
• D-cracking, nízka: vlasové trhliny v obmedzenej ploche platne, napríklad v jednom alebo dvoch rohoch pozdĺž jednej škáry. Vznikol malý alebo žiadny rozpad.
• D-cracking, stredná: praskanie pokrýva značnú plochu platne s malým rozpadom, alebo pokrýva obmedzenú plochu s chýbajúcimi kúskami.
• D-cracking, vysoká: praskanie pokrýva značnú plochu platne s rozpadom alebo potenciálom FOD.
• Vývraty: manuál nedefinuje úrovne závažnosti. Platňu zarátava iba vtedy, keď priemerná hustota presiahne približne tri vývraty na štvorcový yard (štvorcový meter).

Ak sa D-cracking eviduje na platni, odlupovanie na tejto platni sa nezaznamenáva. Ak odlupovanie hrán alebo škár vzniká z D-cracking, zaznamená sa iba D-cracking. Odlupovanie nízkej závažnosti, ktoré je pukaním povrchu (crazing), sa zaráta, iba ak je odlupovanie pravdepodobné do 2 až 3 rokov.

Čo s tým robiť

Manuál PAVER poznamenáva, že zametanie odstráni FOD z odlupovania, ale betón sa odlupuje ďalej, kým nezmizne postihnutá hĺbka. Pri vývratoch uvádza AC 150/5380-6C jedno opatrenie: odstrániť FOD.

Postup opravy tuhej vozovky závisí od typu poruchy, klímy, skúseností a dostupných materiálov. AC uvádza utesnenie trhlín a škár, čiastočnú opravu hĺbky a úplnú opravu hĺbky. Čiastočná oprava hĺbky sa hodí na odštiepovanie hrán škár, teda rozpad hrany platne pri škáre do 2 stôp (0,6 m) od škáry. Oprava tenšia ako 2 palce (5 cm) sa na letiskovej vozovke zvyčajne rýchlo zhorší.

Pri inšpekcii letiska

Prieskum vozovky eviduje poruchu a jej závažnosť. Príčinu neeviduje. D-cracking a odlupovanie sú samostatné typy porúch a na jednej platni manuál PAVER eviduje len D-cracking. TarmacView plánuje lety na prieskum vozovky a snímky zhotovuje už dnes. Detekcia trhlín a hodnotenie podľa ASTM D5340 sú vo vývoji a ponúkajú sa ako skorý prístup.