Betonowa nawierzchnia lotniskowa – wymagania formalne i wyniki badań, na przykładzie rozbudowy Portu Lotniczego
im. Fryderyka Chopina w Warszawie
CONCRETE PAVEMENT ON WARSAW CHOPIN AIRPORT – FORMAL REQUIREMENTS AND TEST RESULTS
Streszczenie
Realizacji nawierzchni betonowej w trakcie rozbudowy Portu Lotniczego im. Fryderyka Chopina w Warszawie rozpoczęta w 2013 roku jest kolejnym etapem modernizacji war- szawskiego lotniska. W trakcie inwestycji przewidziano rozbudowę drogi kołowania DK-A8 oraz budowę płyty postojowej dla samolotów PPS-12. Tak odpowiedzialna re- alizacja skutkowała wysokimi wymagania co do parametrów betonu. Podkreślić należy wymagania trwałościowe stawiane nawierzchni poddawanej cyklicznym oddziaływaniom temperatury w trakcie startu samolotów oraz oddziaływaniu środków odladzających.
Zgodnie z wymaganiami Specyfikacji Technicznej, zaprojektowano beton o klasie wy- trzymałości C35/45, wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu powyżej 5,5 MPa oraz stopniu mrozoodporności F200. Autorzy referatu przedstawiają wymagania formalne stawiane tego typu mieszance betonowej, jak również wyniki badań uzyskane na etapie projektowania i produkcji betonu.
Abstract
Construction of concrete pavement on Fryderyk Chopin Airport building site, started in 2013, is another step in the extension of the Warsaw’s airport. During the project realization, taxiway DK-A8 and apron for aircraft PPS-12 would be rebuilded. So responsible project resulted in demands for high performance concrete. It should be noticed high durability Paweł Trybalski
Michał Elert
mgr inż. Damian Zawół – PPMB Bosta-Beton Sp. z o.o.
mgr inż. Paweł Trybalski – Grupa Ożarów S.A mgr inż. Michał Elert – BASF Polska
requirements for pavement undergoing cyclical influence of temperature during take-off aircrafts and the impact of substance for de-icing. According with the requirements of the Technical Specification the concrete pavement strength class C35/45, flexural strength above 5,5 MPa and a frost resistance of F200 degree should be satisfied. The authors of the paper present the formal requirements for this type of concrete, as well as the test results achieved during the design and production of concrete.
DNI BETONU 2014 3
1. Wstęp
Rozbudowa Portu Lotniczego im. Fryderyka Chopina rozpoczęta w 2013 roku jest kolej- nym etapem realizacji inwestycji, która trwa z przerwami od 2004 roku. W następstwie prowadzonej rozbudowy port lotniczy zwiększy swoją przepustowość, dorównując innym jednostkom w Europie. Od tego czasu Bosta-Beton Przedsiębiorstwo Produkcji Mas Betonowych Sp. z o.o., we współpracy z Grupą Ożarów S.A. oraz BASF Polska Sp.
z o.o. jest dostawcą betonów na tą prestiżową inwestycję Warszawy. Kolejne realizowane etapy skutkują nabieraniem doświadczeń zarówno z produkcji, jak i eksploatacji betonów o specjalnych parametrach trwałościowych. Z sukcesem zrealizowana inwestycja jest potwierdzeniem wysokiego poziomu i reżimu technologicznego utrzymywanego przez producenta betonu i wykonawcę robót.
2. Wymagania formalne projektu
Wymagania stawiane betonowym nawierzchniom lotniskowym definiuje norma przed- miotowa z 1999 roku, PN-V 83002 „Lotniskowe nawierzchnie z betonu cementowego.
Wymagania ogólne i metody badań” [1], z której wytyczne zostały przeniesione do Spe- cyfikacji Technicznej przedmiotowej inwestycji.
W zakresie parametrów betonu w ST [2] zdefiniowano wymagania dla świeżej mie- szanki oraz betonu stwardniałego. Wymagania dla mieszanki betonowej definiuje tabela 1.
Tabela 1. Właściwości fizyczne mieszanki betonowej
Lp. Właściwości mieszanki Wymagania Tolerancje
1 Konsystencja metodą Ve-Be Od 5 s do 8 s dla metody ślizgowej układania mie- szanki betonowej konsysten- cja gęsto plastyczna, tj. od 14
do 27 s
+15% w stosun- ku do wartości ustalonej skła-
dem
2 Zawartość powietrza Od 4,5% do 5,5% -
3 Zmienność uziarnienia dla zawar- tości ziaren przechodzących przez
sito 2 mm
Według składu mieszanki ±3%
4 Zamkniecie powierzchni po przej-
ściu maszyny układającej Powierzchnia zamknięta, gładka, bez potrzeby zaciera-
nia ręcznego
-
Wymagane parametry betonu stwardniałego definiuje tabela 2.
Tabela 2. Właściwości betonu stwardniałego
Lp. Właściwości betonu klasy C35/45 Jednostka Wymagania 1 Minimalna wytrzymałość charakterystyczna oznaczona
na próbkach sześciennych 150×150×150 mm MPa 45
2 Wytrzymałość na ściskanie po 7 dniach twardnienia, nie
niższa niż MPa 35
3 Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu, po 28 dniach twardnienia (belki 700×150×150 mm, zgodnie z wymaganiami PN-S 96015) nie niższa niż:
MPa 5,5
4 Nasiąkliwość wagowa:
a) oznaczona dla górnej warstwy betonu o grubości 20 mm z zachowaniem naturalnej faktury (próba wycięta z nawierzchni), nie więcej niż:
b) oznaczona dla kostek o boku 100 mm (lub walca o śred- nicy 100 mm)
%
%
5,0 5,0
5 Mrozoodporność, F200 oznaczana metodą zwykłą w H2O (określoną zgodnie z PN-88/B-06250):
a)ubytek masy po 200 cyklach nie więcej niż:
b)spadek wytrzymałości nie więcej niż:
%% 5,0
20 6 Poziom wytwarzania mieszanki określony współczyn-
nikiem zmienności wytrzymałości betonu (ściskanie
i zginanie), () nie więcej niż: % od 5 do 8
3. Materiały i metody badań
W referacie przedstawiono etap badań wstępnych z projektowania receptury betonu nawierzchniowego oraz wyniki badań z produkcji. Szczególny nacisk położono na dobór głównych składników betonu, tj. cementu, kruszyw i domieszek chemicznych.
W zakresie pierwszego składnika postawiony przez ST wymóg zastosowania cementu CEM I 42,5 był podyktowany potrzebą uzyskania klasy betonu C35/45 przy jednoczesnym utrzymaniu wytrzymałości po 7 dniach twardnienia na poziomie min. 35 MPa. Pozytywne doświadczenia z zastosowaniem cementu CEM I 42,5R Ożarów w poprzednich etapach inwestycji skutkowały dopuszczeniem tego rozwiązania również i tym razem.
Dodatkowym argumentem były również wyniki badań, układu cement – kruszywo, przeprowadzone zgodnie z wytycznymi normy PN-91/B-06714.34 [3]. Sprawdzenie reaktywności alkalicznej wytypowanego grysu granitowego z cementem CEM I 42,5R Ożarów przedstawia tabela 3.
Przedmiotem cytowanego dokumentu [3] jest określenie podatności kruszyw mi- neralnych do reagowania w betonie z alkaliami zawartymi w cemencie. Zgodnie z wy- maganiami procedury normowej kruszywo można uznać za niereaktywne z alkaliami, pod warunkiem uzyskania pozytywnych badań zmian liniowych przeprowadzonych na stwardniałym betonie w czasie 14, 28 60, 90, 180 dni. Zmiany liniowe po jakiejkolwiek serii pomiarów wykonywanych w okresie do 180 dni nie mogą przekraczać 0,1% oraz próbki
DNI BETONU 2014 5
nie mogą wykazywać uszkodzeń. Sugerując się tymi wytycznymi, przyjmuje się, że jeśli układ cementu i kruszywa przewidziany w recepturze betonowej spełnia powyższe wy- magania, wspomniane składniki należy uznać za zgodne i bezpieczne do stosowania. Jak widać, sprawdzenie tego warunku wymaga sześciomiesięcznych badań laboratoryjnych, co zdecydowanie wydłuża proces weryfikacji składników betonu. W trakcie całego cyklu badawczego wymóg ten był spełniony.
Parametry stosowanego cementu przedstawia tabela 4.
Tabela 4. Parametry cementu CEM I 42,5R Ożarów
Parametr Wymagania wg EN 197-1 Osiągane wartości
Straty prażenia [%] max. 5,0 3,04
Części nierozpuszczalne [%] max. 5,0 1,30
Zawartość siarczanów (jako SO3) [%] max. 4,0 3,20 Zawartość chlorków (jako Cl-) [%] max. 0,100 0,080
Początek czasu wiązania [min] min. 60 180
Koniec czasu wiązania [min] - 250
Wytrzymałość na ściskanie [MPa]
po 2 dniach
po 28 dniach min. 20
od 42,5 do 62,5 30,1
54,4 Wytrzymałość na zginanie [MPa]
po 2 dniach
po 28 dniach -
- 6,1
8,1
W zakresie kruszyw ST dopuszczała zastosowanie piasku oraz grysu granitowego o określonych parametrach. Do projektowania stosu kruszywowego o optymalnym Tabela 3. Oznaczenie reaktywności alkalicznej wg PN-B-06714.34 (wykonano w labora- torium TPA w Bykowie)
Wiek próbki
[dni] Zmiany liniowe r
śr [%] Opis makroskopowy próbek (pęknięcia, rysy, odpry- ski, wykwity, wycieki)
14 0,000 Próbka bez widocznych pęknięć, rys, odprysków, wykwitów i wycieków
28 0,020 Próbka bez widocznych pęknięć, rys, odprysków, wykwitów i wycieków
60 0,010 Próbka bez widocznych pęknięć, rys, odprysków, wykwitów i wycieków
90 0,010 Próbka bez widocznych pęknięć, rys, odprysków, wykwitów i wycieków
180 0,000 Próbka bez widocznych pęknięć, rys, odprysków, wykwitów i wycieków
uziarnieniu użyto piasku płukanego 0–2 mm oraz grysu granitowego o frakcjach 2–8, 8–16 oraz 16–22,4 mm zgodnie z rysunkiem 1.
0,00 0,1 0,5
4,9 16,1
24,3 34,2
40,0 56,6
77,8
99,6 100,0
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00
dno 0,063 0,125 0,25 0,5 1,0 2,0 4,0 8,0
OCZKO SITA
%
krzywe nawierzchn. maszyn. Krzywa gr. dolna Krzywa gr. górna Krzywa dod. 0
Rys. 1. Krzywa uziarnienia stosu kruszywowego
Podstawowe parametry granitu deklarowane przez producenta kruszywa zestawiono w tabeli 5.
Tabela 5. Kategorie parametrów grysu granitowego deklarowane przez producenta Badana cecha Sposób badania Kategoria zgodnie z PN-EN 12620
2–8 mm 8–16 mm 16–22,4 mm Zawartość pyłów, f PN-EN 933-1 f 1,5 f 1,5 f 1,5 Wskaźnik kształtu, SI PN-EN 933-4 SI 15 SI 15 SI 15 Wskaźnik płaskości, FI PN-EN 933-3 FI 20 FI 15 FI 15
Nasiąkliwość W24 [%] PN-EN 1097-6 0,5 0,5 0,5
Odporność na ścieranie, MDE PN-EN 1097-1 MDE 25 MDE 10 MDE 10 Odporność na rozdrabnianie,
LA PN-EN 1097-2 LA 40 LA 35 LA 35
Mrozoodporność, F PN-EN 1367-1 F1 F1 F1
Mrozoodporność w soli, FNaCl
[%] PN-EN 1367-6 0,7 0,2 0,3
DNI BETONU 2014 7
Celem osiągnięcia optymalnych parametrów mieszanki betonowej, tj. urabialności i zawartości powietrza zastosowano układ dwóch domieszek firmy BASF: plastyfikator MasterPozzolith BV18 oraz domieszkę napowietrzającą MasterAir 114.
MasterPozzolith BV18 jest domieszką plastyfikującą z grupy związków powierzch- niowoczynnych na bazie lignosulfonianów poprawiających zwilżanie ziaren cementu przez wodę zarobową.
Domieszka MasterAir 114 na bazie syntetycznych tensydów obniża napięcie po- wierzchniowe wody, powodując powstawanie w trakcie mieszania stabilnych mikroporów powietrza w całej objętości betonu.
Zastosowanie powyższego układu domieszek chemicznych pozwoliło na wyproduko- wanie mieszanki betonowej o stabilnej zawartości powietrza w przewidzianych granicach od 4,5 do 5,5%. Sprawdzenie struktury napowietrzenia było potwierdzane zarówno na etapie badań wstępnych, jak również w trakcie betonowań płyty lotniska z wykorzysta- niem aparatury Air Void Analyzer AVA-3000 zgodnie z wytycznymi tabeli 6.
Tabela 6. Zalecane wielkości charakterystyki porów powietrznych „Merkblatt für die Herstellung und Verarbeitung von Luftporenbeton, Ausgabe 1991“.
Etap badania Zawartość pęcherzyków
o średnicy < 300 μm [L300] Współczynnik rozstawu pęche- rzyków [SF, Spacing Factor]
Badanie laboratoryjne –
wstępne > 1,8% < 0,20 mm
Beton po zagęszczeniu –
badanie kontrolne > 1,5% < 0,24 mm
4. Wyniki badań
4.1. Etap projektowania receptury
Uwzględniając powyższe badania składników i ich wzajemne współdziałanie opracowano i przebadano recepturę mieszanki betonowej wg poniższego składu:
Cement CEM I 42,5R Ożarów 395 kg/m3
Kruszywa (łącznie) 1790 kg/m3
Woda 150 kg/m3
Plastyfikator MasterPozzolith BV18 BASF 1,7 kg/m3 Napowietrzacz MasterAir 114 BASF 0,4 kg/m3
Uzyskiwane na etapie projektowania receptury parametry mieszanki betonowej i betonu stwardniałego pozwoliły na zakwalifikowanie go do klasy C35/45, konsystencji V1/V2. Charakterystyka przyrostu wytrzymałości betonu i cementu zobrazowana została na rysunku 2.
0 10 20 30 40 50 60 70
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
czas [dn]i
wytrzymałość [MPa]
wytrzymałośc cementu (póbki 40/40/160 mm) wytrzymałość betonu (próbki 150/150/150 mm)
Rys. 2. Dynamika przyrostu wytrzymałości na ściskanie betonu nawierzchniowego klasy C35/45
4.2. Badanie betonu z produkcji
Produkcja betonu nawierzchniowego na przedmiotową inwestycje była prowadzona począwszy od jesieni 2013 roku przez wiosnę i lato 2014 roku. Tak duża inwestycja wy- magała sterowania parametrami mieszanki betonowej, tj. konsystencją oraz zawartością powietrza w zależności od temperatury otoczenia oraz typu maszyny rozkładającej mieszankę betonową. Typowe parametry mieszanki betonowej uzyskiwane w trakcie produkcji w mieszalniku dwu wałowym zestawiono w tabelach.
Tabela 7. Parametry mieszanki betonowej uzyskiwane w produkcji
Właściwości mieszanki Wymagania ST Typowe wyni-
ki uzyskiwane w produkcji Konsystencja metodą Ve-Be Od 5 s do 8 s, dla metody ślizgowej
układania mieszanki betonowej konsystencja gęsto plastyczna, tj.
od 14 do 27 s
7÷14 s
Zawartość powietrza Od 4,5% do 5,5% 4,6÷5,3%
Struktura napowietrzenia SF< 0,24 mm
L300 > 1,5% SF = 0,16 mm L300 = 2,9%
Gęstość Brak wymagań 2320÷2335 kg/m3
Zamkniecie powierzchni po
przejściu maszyny układającej Powierzchnia zamknięta, gładka,
bez potrzeby zacierania ręcznego Powierzchnia zamknięta, gładka,
bez uwag
Otrzymane wyniki poziomu oraz struktury napowietrzenia w bardzo jednoznaczny sposób pokazują, że jakość powietrza wprowadzonego poprzez syntetyczną domieszkę napowietrzającą MasterAir 114, daje bardzo dobrą strukturę napowietrzenia świeżej mieszanki betonowej. Spacing Factor = 0,16 mm oraz zawartość pęcherzyków poniżej
DNI BETONU 2014 9
d<300μm = 2,9%, świadczy o tym, że jakość napowietrzenia w mieszance betonowej była znakomita.
W trakcie rozkładania powierzchnia betonu po przejściu maszyny pozostawała gładka, jak na zamieszczonej fotografii.
Fot. 1. Nawierzchnia betonowa w trakcie rozkładania
Tabela 8. Parametry betonu stwardniałego uzyskiwane w produkcji
Właściwości betonu klasy C35/45 Jednostka Wymagania Wyniki uzyski- wane w pro-
dukcji Minimalna wytrzymałość charakterystycz-
na oznaczona na próbkach sześciennych 150×150×150 mm
MPa 45 54÷56
Wytrzymałość na ściskanie po 7 dniach tward-
nienia, nie niższa niż MPa 35 45÷47
Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu, po 28 dniach twardnienia (belki 700×150×150 mm, zgodnie z wymaganiami PN-S 96015) nie niższa niż:
MPa 5,5 5,7÷5,9
Nasiąkliwość wagowa oznaczona dla kostek
o boku 100 mm (lub walca o średnicy 100 mm) % 5,0 4,3÷4,6 Mrozoodporność, F200 oznaczana metodą
zwykłą w H2O (określoną zgodnie z PN-88/B-06250):
a) ubytek masy po 200 cyklach nie więcej niż:
b) spadek wytrzymałości nie więcej niż:
%
%
5,0 20
0,0 3,5÷6,0
Potwierdzeniem doskonałej struktury napowietrzenia były wyniki badań mrozood- porności. Próbki po badaniu mrozoodporności nie wykazywały żadnych zewnętrznych uszkodzeń po 200 cyklach zamrażania i rozmrażania, potwierdzeniem bardzo dobrego stanu próbek po badaniu jest również minimalny spadek wytrzymałości.
5. Podsumowanie
Rozbudowa Portu Lotniczego im. Fryderyka Chopina w Warszawie prowadzona w la- tach 2013-2014 jest kolejnym etapem inwestycji, gdzie z powodzeniem zrealizowano trwałą dobrze wykonaną betonową nawierzchnię lotniskową. Celem spełnienia wymagań normy PN-V 83002 oraz Specyfikacji Technicznej etap projektowania receptury betonu nawierzchniowego wymógł na technologach betonu potrzebę bardzo szczegółowego sprawdzenia betonu pod względem trwałości. Pozytywne doświadczenia zdobyte pod- czas wcześniejszych etapów realizacji nawierzchni oraz wyniki badań laboratoryjnych przeprowadzonych na etapie projektowania receptury mieszanki betonowej pozwoliły na zastosowanie cementu CEM I 42,5R. Inwestycja ta jest dobrym przykładem technolo- gicznego podejścia i zdobywania pozytywnych doświadczeń we wdrażaniu bezpiecznych i trwałych rozwiązań betonowych.
Literatura
[1] Norma PN-V 83002 „Lotniskowe nawierzchnie z betonu cementowego. Wymagania ogólne i metody badań”
[2] Rozbudowa drogi kołowania DK-A8 oraz budowa płyty postojowej dla samolotów PPS-12 na lotnisku im. Fryderyka Chopina. Specyfikacje techniczne – nawierzchnie lotniskowe.
[3] Norma PN-91/B-06714.34 „Kruszywa mineralne. Badania. Oznaczenie reaktywności alkalicznej”
