5. Analiza wpływu rzeczywistych cech betonu na wyniki obliczeń
5.1. Wyniki badań betonu wiaduktów na autostradzie A2
W rozdziale omówione zostaną wyniki badań betonu wykonanych podczas budowy dziesięciu opisanych w rozdziale 2.2, wiaduktów znajdujących się na autostradzie A2.
Zestawienie i analizę wyników wykonano w oparciu o protokóły badań [83] znajdujące się w archiwum Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad w Poznaniu oraz w archiwum Autostrady Wielkopolskiej S.A [82].
PoniewaŜ obiekty powstawały latach 1999-2003, a badania wykonywano w oparciu o obowiązującą wówczas normę [N3], wstępna analiza wyników badań przeprowadzona będzie w odniesieniu do tej normy. Wszystkie badania wykonywano na próbkach kostkowych betonu o wym. 15x15x15 cm pobieranych podczas betonowania, zarówno elementów konstrukcyjnych, jak i innych elementów, takich jak m.in. kapy chodnikowe. Betonowania na poszczególnych wiaduktach odbywały się w róŜnym czasie i w róŜnych warunkach pogodowych, róŜna była teŜ liczba pobieranych próbek na poszczególnych obiektach. Próbki badane były po 28 dniach oraz dodatkowo, w zaleŜności od wiaduktu, po upływie od 3 do 19 dni. Do czasu badania próbki przechowywano i pielęgnowano zgodnie z normą w warunkach laboratoryjnych. W przypadku części wiaduktów protokóły zawierają takŜe wyniki badań dodatkowych próbek, tzw.
„świadków”, które w okresie dojrzewania przechowywane były na budowie w warunkach zbliŜonych do rzeczywistych.
Większość dostępnych protokółów badań zawiera dane takie jak: data betonowania, temperatura powietrza podczas betonowania, numery próbek, sposób przechowywania próbek (laboratorium, budowa), konsystencja betonu, opad stoŜka, data wykonania badania wytrzymałości na ściskanie, wymagana wytrzymałość po 28 dniach, siła niszcząca próbkę, wytrzymałość próbki na ściskanie, stwierdzona średnia wytrzymałość, stwierdzona wytrzymałość minimalna. Zebrane i zestawione wyniki badań dla poszczególnych wiaduktów
znajdują się w załączniku Z-2. Dla części wiaduktów w protokółach zawarte były takŜe wyniki badań nasiąkliwości, mrozoodporności i wodoszczelności.
Podstawę klasyfikacji betonu zgodnie z normą [N3] stanowi wytrzymałość gwarantowana
R
GB, a sposób oceny wytrzymałości na ściskanie uzaleŜniony był od liczby nRimin - najmniejsza wartość wytrzymałości w badanej serii próbek,
R
- średnia wartość wytrzymałości badanej serii próbek,α - współczynnik zaleŜny od liczby badanych próbek, wynoszący:
α = 1,15 dla n = 3÷4 α = 1,10 dla n = 5÷8 α = 1,05 dla n = 9÷14
s - odchylenie standardowe wytrzymałości.
Rys. 5.1. przedstawia wykres na którym zestawiono wartości 28-dniowych wytrzymałości na ściskanie betonu konstrukcji nośnej przęseł, uzyskane z badań (wytrzymałość średnia, wytrzymałość gwarantowana) oraz wartości wytrzymałości wymaganych (projektowych). We wszystkich obiektach, za wyjątkiem przęsła pomiędzy podporami (1-2) wiaduktu WD 107 (wiadukt betonowany etapami), beton uzyskał wymaganą w dokumentacji projektowej wytrzymałość gwarantowaną, a w pięciu wiaduktach przekroczył ją o co najmniej jedną klasę wytrzymałości. W przypadku wiaduktu WD17 beton był o trzy klasy lepszy, a w przypadku WD13pn i WD13pd nawet o cztery klasy lepszy.
Rys. 5.2. przedstawia wykres, na którym zestawiono wartości wytrzymałości gwarantowanej 28-dniowej betonu kap chodnikowych dla poszczególnych wiaduktów. Na wszystkich obiektach kapy były projektowane z betonu klasy B30 i we wszystkich przypadkach beton spełniał z duŜym zapasem załoŜone wymagania wytrzymałościowe.
Rys. 5.1. Zestawienie wyników badań wytrzymałości betonu na ściskanie po 28 dniach
Rys. 5.2. Wytrzymałość gwarantowana próbek po 28 dniach
Uzyskane w badaniach wyŜsze wytrzymałości betonu, niŜ wymagał tego projekt, w przypadku konstrukcji mostowych, nie były zjawiskiem odosobnionym, co potwierdza m.in.
autor publikacji [55]. Wynika to m.in. z warunków dotyczących nasiąkliwości wodoprzepuszczalności i mrozoodporności dla betonów w konstrukcjach mostowych, zawartych w rozporządzeniu [91]. Zgodnie z tym rozporządzeniem beton powinien spełniać
wymagania w zakresie „nasiąkliwości - określone Polską Normą odnoszącą się do obiektów mostowych”, z zastrzeŜeniem konstrukcji poddawanych odbudowie, rozbudowie i przebudowie, w których dopuszcza się nasiąkliwość betonu określoną ułamkiem masowym nie większą niŜ 5%. Rozporządzenie nie wskazuje konkretnej normy, a rozbieŜne zapisy dotyczące nasiąkliwości znajdują się w dwóch normach [N5, N6] dotyczących konstrukcji mostowych [100, 101]. Norma [N6] określa, Ŝe nasiąkliwość betonu nie powinna być większa niŜ 5%, natomiast norma [N5] wymaga nasiąkliwości nie większej niŜ 4%. Spełnienie warunku nasiąkliwości ≤4% jest trudne, a dla betonów niŜszych klas praktycznie niemoŜliwe. W artykule [100] wykazano, Ŝe dopiero beton klasy C30/C37 (wg normy [N18]) przy odpowiednio dobranym do klasy ekspozycji XA3 stosunku c/w i odpowiedniej zawartości cementu ma szansę osiągnąć nasiąkliwość poniŜej 4% [101]. Wśród dziesięciu analizowanych wiaduktów dla dziewięciu dostępne były wyniki badań nasiąkliwości (wykonane zgodnie z normą [N3]), ale tylko dla dwóch wiaduktów (WD-6z, WD107) spełniony był warunek nasiąkliwości ≤4%
(Tab. 5.1.).
Tab. 5.1. Wyniki badań nasiąkliwości betonu Nasiąkliwość [%]
Pozostałe, zawarte w rozporządzeniu [91], wymagania dotyczące betonu to przepuszczalność wody określona stopniem wodoszczelności nie mniejszym niŜ W8 wg [N3], mrozoodporność określona w normie mostowej [N5] jako ubytek masy nie większy niŜ 5% oraz spadek wytrzymałości nie większy niŜ 20% po 150 cyklach zamraŜania i rozmraŜania. Spośród ośmiu obiektów, dla których odpowiednie dane były dostępne (Tab. 5.2) powyŜsze wymagania spełnione były tylko dla dwóch wiaduktów.
DąŜenie do spełnienia warunków wymaganej w rozporządzeniu [91] nasiąkliwości,
Zawarte w rozporządzeniu [91] warunki nie są moŜliwe do spełnienia w przypadku betonów niŜszych klas. Stąd w omawianych wynikach badań najwyŜszy wzrost wytrzymałości ujawnia się w wiaduktach, w których projektowana klasa betonu to B30 (WD17) i B35 (WD13pn).
Największy wzrost wytrzymałości (rys. 5.1.) dotyczy obiektu WD13pn, który betonowany był w lipcu 2000 roku, tuŜ po wejściu w Ŝycie wspomnianego rozporządzenia [91].
Tab. 5.2. Wyniki badań przepuszczalności wody i mrozoodporności Mrozoodporność
Rys. 5.3. Rozrzut wytrzymałości na ściskanie w zaleŜności od warunków przechowywania próbek Istotnym czynnikiem wpływającym na właściwości betonu są warunki dojrzewania. Na rys. 5.3. przedstawiono rozrzut wyników badań wytrzymałości na ściskanie, oddzielnie dla
próbek przechowywanych do czasu badania w warunkach laboratoryjnych oraz dla próbek
„świadków” przechowywanych na budowie, w zbliŜonych do rzeczywistych warunkach temperaturowych i wilgotnościowych (na wykresie uwzględniono tylko te wiadukty, dla których dostępne protokóły badań zawierały wystarczający zakres danych). Widać, Ŝe rozrzut wytrzymałości dla próbek „świadków” jest mniejszy niŜ dla próbek przechowywanych w laboratorium. Z wyjątkiem wiaduktu WD1 mniejsza jest takŜe średnia wytrzymałość próbek przechowywanych na budowie, co jest zrozumiałe biorąc pod uwagę, wpływ temperatury otoczenia i warunków pielęgnacji, które w warunkach budowy mogą znacznie odbiegać od ściśle określonych normowo warunków laboratoryjnych. Istotnym czynnikiem jest tutaj temperatura powietrza w okresie dojrzewania betonu. ObniŜone temperatury mają ujemny wpływ na proces twardnienia betonu, a dojrzewanie jest tym wolniejsze im niŜsza jest temperatura otoczenia. Instrukcja [26] podaje, Ŝe temperaturę otoczenia poniŜej 10°C, naleŜy traktować juŜ jako temperaturę obniŜoną, wpływającą na spowolnienie procesu wiązania i twardnienia betonu. Przy betonowaniu w okresie obniŜonych temperatur waŜne jest, aby beton uzyskał odpowiednią wytrzymałość przed ewentualnym zamarznięciem. JeŜeli zamroŜenie betonu nastąpi wcześniej, tworzący się lód zniszczy świeŜo powstałe produkty hydratacji, powodując nieodwracalne straty wytrzymałości [76]. Beton zamraŜany po uzyskaniu, tzw.
odporności na zamroŜenie, nie traci na wytrzymałości, a jedynie uzyskuje ją później, gdyŜ w dniach zamroŜenia nie następuje wzrost wytrzymałości [27, 72]. W zaleŜności od warunków dojrzewania wyróŜnia się dwa rodzaje odporności na zamroŜenie [76]:
- odporność warunkową, gdy do czasu uzyskania pełnej odporności beton nie będzie naraŜony na działanie wody z otoczenia (2 MPa dla betonów wykonanych z cementów portlandzkich),
- odporność pełną, gdy beton naraŜony jest na działanie czynników atmosferycznych (5 MPa dla betonów wykonanych z cementów portlandzkich).
Wiadukty WD1 i WD13pn były betonowane w okresie letnim natomiast wiadukty WD10, WD12 i WD107a w okresie późno-jesiennym. Na rys. 5.4 do 5.8. pokazano dla kaŜdego z nich wykresy minimalnych i maksymalnych temperatur powietrza, zarejestrowanych w Poznaniu w ciągu 28 dni od dnia betonowania obiektów. Analiza wykresów wskazuje, Ŝe jedynie w przypadku wiaduktów WD10 i WD 107a w okresie dojrzewania betonu minimalna temperatura w ciągu doby spadała poniŜej 0°C, jednak było to juŜ po uzyskaniu pełnej odporności na zamroŜenie. Betony określane jako mostowe charakteryzują się szybkim przyrostem wytrzymałości w ciągu pierwszych dni, w związku z tym szybko osiągają
Rys. 5.4. Temperatury powietrza w 28 dniowym okresie po betonowaniu dla wiaduktu WD1 [105]
Rys. 5.5. Temperatury powietrza w 28 dniowym okresie po betonowaniu dla wiaduktu WD10 [105]
Rys. 5.6. Temperatury powietrza w 28 dniowym okresie po betonowaniu dla wiaduktu WD12 [105]
Rys. 5.8. Temperatury powietrza w 28 dniowym okresie po betonowaniu dla wiaduktu WD107a [105]
Wolniejszy przyrost wytrzymałości w ciągu 28 dni, w porównaniu z próbkami laboratoryjnymi w przypadku wiaduktów betonowanych WD10, WD12 i WD107a moŜna wyjaśnić niską temperaturą powietrza w okresie dojrzewania betonu. Wiadukty WD1 i WD13pn były natomiast betonowane w okresie letnim, średnia temperatura powietrza w czasie dojrzewania w obu przypadkach (16,6°C dla WD1 i 16,5°C dla WD13pn) była zbliŜona do temperatury laboratoryjnej (18°C). Mniejszy rozrzut wyników dla wiaduktu WD13pn jest prawdopodobnie wynikiem mniejszej liczby próbek przechowywanych na budowie w stosunku do próbek laboratoryjnych. Trudno znaleźć jednak przyczynę rozbieŜności wyników w przypadku wiaduktu WD1, w którym próbki przechowywane na budowie osiągnęły duŜo wyŜsze wartości wytrzymałości.
Przedstawione wyniki badań potwierdzają, Ŝe trudno jest precyzyjnie określić rzeczywiste właściwości betonu w konstrukcji. Wg [35] próbki wykonane i pielęgnowane na budowie dają lepszy obraz stanu faktycznego twardniejącego betonu niŜ próbki laboratoryjne, które mogą generować wytrzymałości odbiegające od stanu rzeczywistego. NaleŜy jednak wziąć pod uwagę to, Ŝe nawet próbki przechowywane, w identycznych warunkach temperaturowych i wilgotnościowych co konstrukcja, będą, chociaŜby poprzez swoją duŜo mniejszą bezwładność cieplną, o wiele szybciej ulegać wychłodzeniu i wysuszeniu niŜ beton znajdujący się wewnątrz konstrukcji, duŜo mniejsze będzie teŜ ciepło hydratacji, wydzielane podczas wiązania betonu, a więc takŜe uzyskane z nich wyniki w pewnym stopniu odbiegać
będą od rzeczywistego stanu betonu w konstrukcji. Przyjęte zatem do analizy wartości wytrzymałości uzyskane z badań próbek, naleŜy traktować takŜe jako wielkości przybliŜone.