Pianobeton – materiał na miarę czasów
Najkrócej rzecz ujmując, znajdujący zastosowanie m.in. w drogownictwie pianobeton to lekki beton komórkowy, w którym po zastygnięciu zostają uwięzione pęcherzyki powietrza, wprowadzane mechanicznie z wykorzystaniem środka pianotwórczego. Jego gęstość objętościowa wynosi od 400 kg/m³ do 1850 kg/m³, wytrzymałość na ściskanie (dla największej gęstości) dorównuje wytrzymałości na ściskanie dla betonu klasy C16/20, wytrzymałość na rozciąganie – od 25 do 35% wytrzymałości na ściskanie próbek z pianobetonu, zaś wytrzymałość na zginanie stanowi od 6 do 10% wytrzymałości na ściskanie próbek z pianobetonu. Wytrzymałość tego materiału można ponadto dodatkowo poprawić, stosują dodatki takie jak np. włókna z tworzyw sztucznych lub materiałów naturalnych.
Aby jednak pianobeton rzeczywiście posiadał takie parametry, konieczne jest przeprowadzenie procesu technologicznego w sposób ciągły na miejscu budowy, z wykorzystaniem specjalistycznego agregatu pianotwórczego.
Zastosowanie pianobetonu w drogownictwie
Wymienione powyżej właściwości pianobetonu sprawiają, że znajduje on szerokie zastosowanie w drogownictwie. Jedną z korzyści płynących z wykorzystania go do warstw nawierzchni jest poprawa właściwości termoizolacyjnych, co jest możliwe dzięki mikrostrukturze komórkowej pianobetonu. Jednocześnie relatywnie nieduża wartość gęstości objętościowej od 1000 kg/m³ do 1200 kg/m³ pozwala na odciążenie podłoża.
Popularności pianobetonowi przysparzają też cechy takie jak zdolność do pochłaniania dźwięku, obniżenie zużycia kruszywa dużych frakcji, a także łatwość i szybkość wbudowywania, samozagęszczalność i samopoziomowanie. Nie ma też potrzeby wykonywania dylatacji, co znacznie przyspiesza prace.
Jak każdy materiał, pianobeton nie jest też wolny od wad – mowa tu jego nasiąkliwości, która jest tym większa, im więcej porów znajduje się w jednostce objętości. Zdolność pochłaniania wody przez materiał można jednak zmniejszyć poprzez zastosowanie w mieszance np. popiołów lotnych.
Wymienione powyżej właściwości sprawiają, że zastosowanie pianobetonu w drogownictwie jest bardzo szerokie: ten materiał wykorzystuje się na warstwy podbudowy i do wzmacniania podłoża, do wykonywania półpodatnych konstrukcji nawierzchni jezdni, a także do umacniania skarp i osuwisk.
Pianobeton jako warstwy podbudowy i wzmacnianie podłoża
Jednym z najczęstszych zastosowań dla pianobetonu w budownictwie drogowym jest wykonywanie dolnych warstw nawierzchni drogowych. Rozwiązanie to szczególnie sprawdza się w przypadku gruntów słabonośnych, bo odciąża grunt i pozwala ograniczyć jego wymiany i wzmacnianie. Ponadto dzięki doskonałym właściwościom termoizolacyjnym, pianobeton jest odporny na przemarzanie i chroni grunt przed wysadzinami.
Zastosowanie pianobetonu w budownictwie drogowym pozwala na uzyskanie sztywnej, jednolitej nawierzchni, która nie wymaga dylatacji.
Pianobeton Wajm | Rys. 1. Przykład budowy nawierzchni jezdni z zastosowaniem pianobetonu w Kandzie [11]
Pianobeton sprawdza się też w przypadku nawierzchni z kostki betonowej, stosowanej często na parkingach i drogach. Nawet po kilkudziesięciu latach eksploatacji, tego typu nawierzchnie są w bardzo dobrym stanie technicznym, bez nierówności i kolein.
Pianobeton Wajm | Rys. 2. Widok nawierzchni parkingu wykonanego z kostki betonowej na podbudowie z pianobetonu po 20 latach użytkowania.
Z uwagi na płynność pianobetonu i jego samopoziomowanie, pewnym ograniczeniem w zastosowaniu w budownictwie drogowym jest pochylenie terenu, które nie może być większe niż 3%. W przypadku większego pochylenia, konieczne jest szalowanie i budowa konstrukcji schodkowych, choć niewykluczone, że w niedalekiej przyszłości nie będzie to konieczne. Obecnie trwają prace nad rozwiązaniami, które pozwoliłyby zmienić konsystencję pianobetonu dzięki specjalnym dodatkom lub umożliwiłyby zastosowanie tego materiału na bardziej pochylonych terenach z wykorzystaniem np. geokrat.
Półpodatne konstrukcje nawierzchni jezdni
Innym obszarem zastosowań pianobetonu w drogownictwie jest budowa nawierzchni, które składają się z dwóch warstw i podłoża. W takim przypadku warstwą nośną jest podbudowa, a warstwą ścieralną (zamykającą) mieszanka mineralno-asfaltowa.
Pianobeton Wajm | Rys. 3. Warstwa nośna konstrukcji nawierzchni drogowej z pianobetonu
Pianobeton Wajm | Rys. 4. Ułożona warstwa ścieralna (zamykająca) z mieszanki mineralno-asfaltowej na warstwie nośnej z pianobetonu
Podczas obciążenia pianobeton zachowuje się inaczej niż klasyczny beton cementowy, co spowodowane jest zawartością dużej ilości pęcherzyków powietrza. Badania pokazują, że zakres liniowych odkształceń sprężystych pianobetonu jest mniejszy niż próbek z betonu cementowego. Z kolei zakres pełzania pod obciążeniem statycznym pianobetonu jest większy niż klasycznego betonu. Zakres odkształceń plastycznych jest związany z powolnym niszczeniem struktury, aż do zwiększenia jej gęstości i uzyskania wytrzymałości na ściskanie mniejszej niż maksymalna.
Pojawienie się pojęć zakresu sprężystego i plastycznego każe zastanowić się nad tym, jak zaklasyfikować nawierzchnie z warstwą pianobetonu. Norma PN-87-S-02201 „Nawierzchnie Drogowe – Podział, nazwy, określenia” wyróżnia trzy typy nawierzchni: podatną (o konstrukcji odkształcającej się plastycznie pod wpływem obciążeń, np. nawierzchnie brukowcowe), półsztywną (nawierzchnia kostkowa czy bitumiczna o podbudowie z chudego betonu, kruszywa lub gruntów stabilizowanych spoiwami) i sztywną (konstrukcja, która odkształca się sprężyście pod wpływem obciążeń – nawierzchnie betonowe). Ten podział nie oddaje jednak specyfiki nawierzchni jezdni, wykonanej z cienkiej, 3-5 cm warstwy ścieralnej (mieszanka mineralno-asfaltowa) i warstwy pianobetonu o grubości od 10 do 30 cm. Dla takiego zastosowania pianobetonu w drogownictwie warto zaproponować nową kategorię – nawierzchnię półpodatną.
Wydany przez GDDKiA „Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych” precyzuje, że nawierzchnia półsztywna to taka konstrukcja, w której warstwa ścieralna oraz wiążąca wykonane są z mieszanek mineralno-asfaltowych, a przynajmniej jedna z warstw podbudowy zasadniczej jest wykonana z materiałów związanych spoiwami hydraulicznymi.
W przypadku konstrukcji, które określamy jako „półpodatne” występuje tylko warstwa ścieralna z mieszanki mineralno-asfaltowej oraz nośna z pianobetonu. Ten ostatni, choć w swoim składzie zawiera cement, to ma inne właściwości niż materiały związane spoiwami hydraulicznymi, co ilustrują poniższe wykresy histerezy.
Pianobeton Wajm | Rys. 5. Wykresy histerezy siła – przemieszczenie dla typowej nawierzchni podatnej i nawierzchni z warstwą z pianobetonu (w oparciu o analizę wyników z urządzenia ZiSPON podczas badań nawierzchni jezdni i parkingu w pobliżu hurtowni jednej z sieci handlowych w Polsce).
Pianobeton Wajm | Rys. 6. Badania terenowe nawierzchni półpodatnej urządzeniem ZiSPON [16]
Wielką zaletą konstrukcji półpodatnych jest zredukowanie ryzyka powstawania spękań odbitych, co jest pochodną lepkosprężystych właściwości pianobetonu. Atutem jest też wyeliminowanie konieczności wykonywania tzw. warstwy poślizgowej oraz prowadzenia zabiegów, które ograniczałyby powstawanie spękań odbitych – jak ma to miejsce w przypadku technologii z wykorzystaniem stabilizacji cementem.
Badania w laboratorium Politechniki Poznańskiej potwierdziły, że w porównaniu do klasycznej nawierzchni drogowej, w konstrukcjach półpodatnych warstwa pianobetonu nagrzewa się bardzo wolno, w efekcie czego chłodniejsza pozostaje także cienka warstwa ścieralna z mieszanki mineralno-asfaltowej. Jest ona dzięki temu bardzo odporna na koleinowanie, a zimą wolniej się wychładza.
Zastosowanie pianobetonu w drogownictwie – zwłaszcza w przypadku konstrukcji półpodatnych – pozwala na budowę tańszych nawierzchni w porównaniu do rozwiązań przedstawionych w Katalogach Typowych Konstrukcji Nawierzchni Dróg. To rozwiązanie, z którego mogą skorzystać zarządy jednostek innych niż GDDKia, niezobligowane do stosowania technologii katalogowych.
Oczywiście koszty budowy zależą zawsze od indywidualnych warunków. Na przykład gdy podłoże nawierzchni jest zaklasyfikowane do grupy nośności G2, dla obciążenia ruchem KR 3, konstrukcja nawierzchni półpodatnej będzie mieć grubość 25 cm. Jednak już dla dróg dla obciążenia ruchem KR 1, warstwę tę można zredukować nawet do 10 cm, jeśli zastosuje się warstwę mieszanki mineralno-asfaltowej (beton asfaltowy) od 3 do 5 cm. W takiej sytuacji koszt będzie zdecydowanie niższy, tym bardziej, że znacznie ograniczone jest profilowanie koryta drogowego, a także wyeliminowana konieczność wymiany gruntu czy wzmacniania podłoża.
Pianobeton Wajm | Rys. 7 Konstrukcja nawierzchni półpodatnej dla obciążenia ruchem KR 3
Inne zastosowania pianobetonu w drogownictwie
Oprócz wspomnianych powyżej możliwości zastosowania pianobetonu w drogownictwie, materiał ten stosuje się również w innych sytuacjach. Świetnie sprawdza się np. do umacniania skarp, osuwisk i wykopów, a także do napraw cząstkowych dróg, chodników i ścieżek rowerowych. Pianobeton świetnie sprawdzi się też do naprawiania zapadlisk i osuwisk podłoża po ulewnych deszczach.
(a)(b)(c)
Pianobeton Wajm | Rys. 8. Przykład szybkiej odbudowy uszkodzonej nawierzchni drogowej na skutek osuwiska (a) przed i (b) po zastosowaniu pianobetonu oraz (c) po ułożeniu warstwy z MMA.
Z uwagi na nieduże wartości gęstości objętościowej pianobetonu, świetnie sprawdzi się on jako alternatywa dla kruszyw przy wypełnianiu przyczółków mostów, estakad, dróg przy nabrzeżach. Dzięki mechanizmowi odciążania słabonośnych podłoży, ograniczone są koszty związanie z dowozem, wbudowywaniem i zagęszczaniem kruszywa.
W wielu przypadkach zastosowanie pianobetonu jest jedyną możliwością na realizację inwestycji. Mowa o sytuacji, w której warunki gruntowe oraz istniejące obiekty nie pozwalają na ułożenie instalacji na odpowiedniej głębokości pod nawierzchnią drogową. Dzięki właściwościom termoizolacyjnym pianobetonu możliwe jest też układanie infrastruktury technicznej powyżej głębokości przemarzania gruntu. Ponadto materiał ten skutecznie zabezpiecza instalacje przed czynnikami zewnętrznymi.
(a) (b)
Pianobeton Wajm | Rys. 8. Wypełnienie pianobetonem przyczółku mostu (a) oraz izolacja z pianobetonu płytkiej kanalizacji (b)
Zastosowanie pianobetonu w drogownictwie otwiera możliwość budowania tańszych dróg niż w przypadku klasycznych technologii. Ponadto – co potwierdzają badania i analizy – warstwa pianobetonu i warstwa ścieralna mieszanki mineralno-asfaltowej tworzy taki układ, którego właściwości obciążenie-przemieszczenie mogą być podstawą do uzupełnienia kryteriów podziału nawierzchni pod względem ich podatności. Zapewne kwestią czasu jest ukończenie prac nad doskonaleniem konstrukcji nawierzchni półpodatnych, co otworzy możliwość skrócenia czasu budowy nawierzchni i obniżenia kosztów inwestycji drogowych.
Źródło: dr inż. Marcin Bilski, dr inż. Andrzej Pożarycki, mgr inż. Przemysław Górnaś, Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Lądowej
Więcej na: www.pianobeton.pl
