VĚDA A VÝZKUM
❚
SCIENCE AND RESEARCH
VÝVOJ TRVANLIVÉHO PROPUSTNÉHO BETONU PRO POTŘEBY HOSPODAŘENÍ S DEŠŤOVOU VODOU VE FINSKU ❚ DEVELOPMENT OF DURABLE PERVIOUS CONCRETE FINLAND´S STORMWATER MANAGEMENT NEEDS Hannele Kuosa, Erika Holt
slabs and other specimens have been cast for these studies. The main emphasis has been
Propustný beton je, vzhledem ke schopnosti
on ensuring durability for harsh Finnish winter
propouštět velké objemy srážek při přívalových
exposure conditions. The results are being used
deštích, vhodným nástrojem použitelným pro
in structural dimensioning tools for stormwater
zmírnění vlivu klimatických změn v městském
management,
prostředí. Ve Finsku probíhá výzkum propust-
simulations of future flooding scenarios. Practical
ného betonu, který je trvanlivý v arktických pod-
guidelines for use of pervious concrete in Finland
mínkách. Během návrhu konstrukce a její údrž-
are being developed for implementation prior
by je nový materiál včetně podkladních vrstev
to full-scale field demonstrations to be built by
optimalizován tak, aby umožnil vsakování vody
municipalities in 2015.
combined
with
computer
do podloží a nebyl tak přetěžován systém dešťové kanalizace a nebylo znečišťováno okolí blízkých vodních těles odtokem přívalových dešťů z měst. Projekt doprovázely laboratorní zkušební programy, jejichž cílem bylo před vlastním návrhem složení betonu popsat materiál, který vyhoví finským požadavkům, a poté navrhnout vrstvený systém, v kterém betonová a podkladní vrstva zajistí filtraci vody. Provozní zkoušky popisují pevnost betonu, otevřenou pórovitost, mikrostrukturu zahrnující ochranné vzduchové póry, permeabilitu a odolnost proti mrazu a rozmrazování s nebo bez CHRL. Pro tento výzkum bylo připraveno několik směsí a byly vyrobeny desky a další vzorky. Hlavní důraz byl kladen na zajištění trvanlivosti při vystavení drsným finským zimním podmínkám. Výsledky budou využívány pro navrhování konstrukčních opatření pro hospodaření s dešťovou vodou v městském prostředí, v kombinaci s počítačovými simulacemi budoucích scénářů záplav. Pro zavedení propustného betonu ve Finsku je připravován praktický průvodce, který vyjde v roce 2015. ❚ Pervious concrete is a viable tool for to mitigating impacts of climate changes in urban environments, through their ability to filter high volumes of stormwater.
V celém světě se městské prostředí zahušťuje, narůstá procento horizontálních povrchů pokrytých konstrukcemi a pevnými, nepropustnými povrchy. Ve Finsku žije 85 % obyvatelstva ve městech (evropský průměr je 72 %)1, s ročním přírůstkem populace 0,9 %2. V poslední zprávě EU Soil Sealing Guideline [1] byla zdůrazněna ekologická rizika nadměrného živelného zastavování měst spojeného s nárůstem zabírání půdy s upozorněním, že uzavření zemského povrchu trvalým zakrytím pevninské části je jedním z hlavních degradačních procesů na Zemi popsaných v zprávě EU Soil Thematic Strategy [2]. Uzavření zemského povrchu má významný vliv na pronikání vody do podloží, a tím na záplavy, a současně na zmenšování zelené infrastruktury. Finská případová studie ve vodním hospodaření ukázala, že odtok dešťové vody se zvýšil z 18 na 39 %, zatímco množství nepropustných ploch v městském prostředí 1 z 50 na 69 % [3]. vzrostlo
Research has been done in Finland to develop
Pozn.: 1http://en.worldstat.info/Europe/List_of_
pervious concrete that is durable for arctic
countries_by_Population_in_urban_areas,
environmental conditions. The new materials
2
combined with sub-based design are optimized
urban-population-growth.
during design, construction and maintenance,
Prognózy klimatu ukazují, že Finsko bude vystaveno velkým objemům srážek a mnohem intenzivnějším bouřkám než v současnosti. Během tohoto století se předpokládá zvýšení průměrné teploty o 3,2 až 6,4 °C. Jako výsledek klimatických změn je očekáván každoroční stálý nárůst množství srážek o 12 až 24 % [HSY2010]. Společnost má zájem na lepší ochraně životního prostředí a menším množství dešťové vody nesoucím znečišťující prvky. Jestliže se povrchová voda může dostat do země rychleji a ve větších objemech, má to pro životní prostředí
to allow for high filtration to the substrate rather than over-burdening the stormwater collection systems or polluting nearby natural water bodies with urban run-off. The project has conducted laboratory
test
programs
to
characterize
materials prior to designing concrete recipes that meet Finnish demands and then implemented layer systems where the concrete and subbase layers function for filtration benefits. Performance tests characterize the porous concrete strength, open porosity, microstructure including protective air pores, permeability and freeze-thaw resistance with and without de-icing salt. Several mixes have been prepared and
68
http://www.indexmundi.com/facts/finland/
mnoho výhod: 1) při doplňování hladiny podzemní vody se chemikálie, oleje, kovy a další znečišťující prvky mohou zachytit v podloží a usadit; 2) voda v půdě poskytuje potřebnou vlhkost stromům a rostlinám k dobrému růstu; 3) snížením množství námraz spojených s táním a opětovným mrznutím vody na povrchu se zvyšuje bezpečnost dopravy a chodců; 4) udržují se nižší teploty městského prostředí. Vládní směrnice vyžadují po (finských) obcích, aby začaly používat nové metody pro hospodaření s dešťovou vodou. Finský projekt s názvem „CLASS: Climate Adaptive Surfaces“ nabízí nová materiálová řešení problematiky z předchozích odstavců. Navrhovaný systém tvoří povrchové vrstvy z propustného betonu, porézního asfaltu nebo rozvolněné betonové (nebo kamenné) dlažby s mezerami zasypanými kamenivem s otevřenou křivkou zrnitosti, společně s nově vytvořenými podzemními ložisky štěrku, potrubními rozvody, geotextíliemi a retenčními nádržemi. Specifikované potřeby finských měst určují v projektu CLASS požadavky na vlastnosti propustných materiálů, konstrukcí a technických řešení v různých půdních podmínkách pro současné a budoucí klima. Hlavní potřebou je lépe porozumět funkčnosti v zimním období, za deště a mrazu, při údržbě a při prevenci zanášení, životnosti a nákladům na celý životní cyklus [4]. PC je vzhledem k environmentálním výhodám od roku 1980 široce používán v různých aplikacích v Japonsku, USA a Evropě: regulovaný odtok dešťových vod, obnova zásob podzemní vody, snižování znečištění vody a půdy. Systém PC musí být optimalizován během návrhu, realizace a údržby tak, aby umožnil vsakování vody do podloží a nebyl přetěžován systém dešťové kanalizace nebo nebylo znečišťováno okolí blízkých vodních těles odtokem přívalových dešťů z měst. Protože je pro propustné vrstvy přirozené, že se zanášejí, je nezbytná náležitá údržba. Proto jsou součástí projektu CLASS zkoušky zanášení a údržby v laboratorním měřítku pomocí zařízení FS-Rig (Filtration Simulation Rig). Všechny betonové konstrukce v systému by měly být přizpůsobeny
BETON • technologie • konstrukce • sanace
❚
5/2014
VĚDA A VÝZKUM
skandinávskému prostředí pro zajištění jejich trvanlivosti a životnosti. Propustné povrchy jsou hodnoceny i s ohledem na jejich přidanou hodnotu v zlepšení kvality vody a růstu vegetace v okolním prostředí. Použití PC ve Finsku vyžaduje materiály odolné vůči mrazovým cyklům a návrh podkladní drenážní vrstvy tak, aby umožňoval zvedání podloží v důsledku působení mrazu [5 až 9]. PC je beton s vzájemně propojenými póry o průměru od 1 do 8 mm, s celkovým objemem pórů 15 až 30 %. Jeho fyzikální vlastnosti se samozřejmě liší od vlastností obyčejného betonu, protože PC umožňuje vysokou permeabilitu. Na druhou stranu, v důsledku vysokého procenta mezer a nízkého poměru zhutnění kameniva je pevnost PC v tlaku, tahu a ohybu nižší než u běžného betonu, a to i přes nízký vodní součinitel (w/c) 0,2 až 0,4, přičemž typický vodní součinitel PC je 0,27 až 0,34. V PC je používána poměrně rovnoměrná velikost kameniva pro zajištění dobré rychlosti průsaku vody. Cementová pasta nebo jemná malta spojuje částice kameniva dohromady a přenáší zatížení mezi jeho zrny. Objemová hmotnost PC je přibližně 70 % objemové hmotnosti běžného betonu, nejčastěji od 1 600 do 2 000 kg/m3. Pro dopravní plochy s malou zátěží je obvykle používán PC s pevností menší než 17 MPa. Pro náročnější případy by měla být pevnost vyšší, např. v rozsahu 24 až 28 MPa. Vyšší efektivní propustnost znamená nižší pevnost (obr. 1). PC vykazuje menší smršťování a lepší tepelně izolační vlastnosti než běžný beton. V zahraničí je PC používán v místech bez nebo s nízkým namáháním mrazem a rozmrazováním. Pro tyto případy je technologie návrhu směsi PC, jejího ukládání, hutnění a ošetřování již všeobecně známá. V projektu CLASS je hlavním zájmem přizpůsobit PC náročným zimním podmínkám ve Finsku. Vzhledem k tomu, že PC ještě není na finském trhu dostupný, bylo nezbytné před návrhem materiálu a studiemi trvanlivosti, začít vývoj a výzkum studiem dostupné literatury [6, 10 až 12]. Přidáním jemného kameniva do PC dojde k nárůstu pevnosti, ale k snížení obsahu souvislých mezer. Nicméně výzkum ukázal, že již 7 % jemných částic ve směsi může zajistit zvýšení trvanlivosti PC, při vystavení mrazu a rozmrazování bez ztráty pórovitosti. Dále se ukázalo, že provzdušnění cementové pasty nebo jemné malty působí jako ochrana betonu před tlakem 5/2014
❚
❚
SCIENCE AND RESEARCH
Obr. 1 Pevnost PC v tlaku v závislosti na efektivní pórovitosti [6] ❚ Fig. 1 Collected values for PC strength as a fiction of effective porosity [6]
mrznoucí vody. Jemný písek pomáhá zlepšit provzdušnění PC během míchání. Pro dobrou odolnost proti mrazu a rozmrazování je provzdušnění nezbytné, protože, ačkoliv je obsah mezer PC velký, pasta není nutně těmito mezerami ve všech místech mikrostruktury PC chráněna. Podle [13] se ukazuje, že technologie ochrany PC před účinky mrazu a rozmrazovacích solí existuje. Přesto je zapotřebí dalšího výzkumu, aby bylo přesně stanoveno, jaký by měl být požadavek na minimální procento provzdušnění a na rozložení těchto vzduchových mezer při nízkém vodním součiniteli PC. Požadavky se mohou lišit v závislosti na zeměpisné poloze. V souvislosti s potřebou zajištění dlouhého životního cyklu PC se objevuje požadavek na novou nebo revidovanou metodu zkoušení odolnosti vůči mrazu a rozmrazování, použitelnou pro výrobu a kontrolu shody. Bylo zjištěno, že tradiční metody pro měření obsahu vzduchu (tlaková nebo objemová) v čerstvém betonu nejsou pro PC použitelné. Kevern a kol. [14] zjistili, že vyšší obsah vzduchu je důsledkem neschopnosti odstranit veškerý atmosférický vzduch zachycený uvnitř prostupných mezer při měření obsahu vzduchu v čerstvém PC. Dále zjistili, že zkouška AVA (Air Void Analyzer testing) není pro PC vhodná. Úprava této metody zahrnuje získání dostatečného množství zkušební malty z čerstvého PC pomocí vibrační lišty. K tomu je nezbytná nadměrná vibrace a čas. Předpokládá se, že by to rovněž ovlivnilo vzduchové póry. Zjištění v [14] ukazují, že zkušební metody pro stanovení míry provzdušnění a systému vzduchových mezer v čerstvém betonu nejsou pro PC vhodné. Pokud jde o ztvrdlé PC, bylo v [14] popsáno, že faktor rozmístění vzduchových pórů zjištěný zkušební metodou RapidAir 457 koreloval s odolností proti mrazu a rozmrazování.
technologie • konstrukce • sanace • BETON
3b
RapidAir 457 je nejrozšířenější automatizovanou obrazovou analytickou metodou založenou na použití rovinných řezů se zvýrazněním kontrastu mezi vzduchovými póry a pevnou fází. Analýzy jsou v souladu s ASTM C 457 [15]. Protože při přípravě vzorků ze ztvrdlého PC není možné zjistit rozložení vzduchových mezer dříve než za několik dní po jejich výrobě, je pro zjištění provzdušnění čerstvého a ztvrdlého betonu zapotřebí obou metod [14]. Rovněž výběr vhodné zkušební metody pro zkoušení odolnosti PC proti mrazu a rozmrazování je problematický. Při vystavení povrchu z PC povětrnostním vlivům dochází na jedné straně k propouštění vody betonem, na straně druhé se mohou póry zanášet nečistotami nebo se v nich mohou vytvářet ledové útvary. Oba případy vedou k zvýšení saturace PC vodou. Povrch (dlažba) je pak náchylnější k poškození mrazem a rozmrazováním. Metody zkoušení s vysokou vodní saturací jsou na straně bezpečnosti, ale současně mohou posuzovat PC zbytečně přísně. Je zapotřebí získat více zkušeností pro stanovení vztahu mezi zkušebními metodami na mráz a rozmrazování s modifikovanými kritérii a použitím PC na konkrétním místě, např. ve Finsku. Vliv mrazu a rozmrazování a související zkušební metody pro mráz a rozmrazování včetně CHRL musí být posuzovány odděleně. V případě, že dochází k poškození odlupováním povrchu, měl by být také zahrnut vliv spojovacího materiálu (cementového tmelu). Dalším důvodem pro uvedené je, že v mikrostruktuře ztvrdlého cementového tmelu probíhají významné změny způsobené karbonatací a vysýcháním (dlouhodobé zrání). Závěrem [16] je, že všechny dostupné znalosti o odprýskávání běžného betonu následkem mrazu a rozmrazování jsou použitelné pro PC. Ve finském projektu CLASS byly tyto závěry rozpracovány podrobněji. 69
VĚDA A VÝZKUM
❚
SCIENCE AND RESEARCH
M AT E R I Á LY
Pro zkoušky bylo použito finské kamenivo z Rudus Oy a cement z Finnsementti Oy, přísady z Finnsementti Oy a z Wacker Chemie AG. Složky pro PC jsou uvedeny v tab. 1, křivky zrnitosti kameniva na obr. 2.
Tab. 2 Kamenivo, cement a přísady pro PC for the final PC-mixes
PC PC1 PC2 PC3 PC4
Kamenivo Hrubé jemné Karhi LuoMu 4/8 Astrakan SSr 0/1 Läyliäinen SrM 8/12 Karhi SSr 0/4 Karhi LuoMu 4/8 Astrakan SSr 0/1 Karhi LuoMu 4/8 Astrakan SSr 0/1
❚
Tab. 2
Aggregates, cement and admixtures
Cement
Přísady
CEM II/B-M (S-LL) 42,5 N CEM II/B-M (S-LL) 42,5 N CEM II/B-M (S-LL) 42,5 N CEM I 52,5 R
VB-Parmix & Airmix VB-Parmix & Airmix VB-Parmix & Etonis 260 VB-Parmix & Airmix
R E C E P T U RY A M Í C H Á N Í
Finální zkušební program pro PC se zaměřil na čtyři různé receptury s různým kamenivem, cementem a přísadami (tab. 2). Výběru těchto receptur předcházela příprava a zkoušení řady směsí s cílem získat zkušenosti a zvolit správné postupy od návrhu vodního součinitele, přes dávkování příměsí, postup míchání, zkoušení čerstvého betonu až po výrobu vzorků. V přípravné fázi zkoušek bylo dosaženo vhodné konzistence čerstvého PC. To zahrnovalo stanovení správného obsahu cementové malty pro obalení všech částic kameniva, stanovení množství vody, plastifikátoru a provzdušňující přísady. Na základě těchto studií byl rovněž stanoven účinný vodní součinitel 0,27 (voda pohlcená kamenivem není zahrnuta). Hlavním cílem bylo získat směs s dostatečnou soudržností k udržení částic kameniva pohromadě bez viditelného úniku cementové pasty. Výběr správného množství provzdušňující přísady byl založen na nové metodě popsané níže. Navíc byla ztvrdlá provzdušněná pórová struktura PC zkoušena analý-
zou tenkých řezů pro ověření správného množství malých vzduchových pórů v cementové fázi PC. Míchání probíhalo v běžné laboratorní míchačce betonu s maximálním objemem 240 kg/170 l (Zyklos). Pro míchání finálních směsí PC byla využita celá kapacita jejího objemu. Některé ze zkušebních směsí byly míchány v menší míchačce. Nejprve se krátce předmíchalo kamenivo s malým množstvím záměsové vody a po přidání zbylé vody a přísad následovalo 8 min dlouhé míchání. Relativně dlouhý čas míchání byl zvolen pro zajištění vytvoření drobných pórů nezbytných pro dobrou odolnost vůči mrazu a rozmrazování. BETONÁŽ A HUTNĚNÍ VZORKŮ
Desky (505 × 505 × 150 mm) byly hutněny válcem ve dvou vrstvách. V některých případech byly obě vrstvy zhutněny použitím kladiva Proctor-type (4,5 kg) s ocelovou deskou 150 × 150 mm. Další krychle o hraně 100 a 150 mm byly odlity s běžným hutněním ve dvou vrstvách. Pro zjištění vztahu mezi hutněním a výslednou hustoObr. 2 Křivky zrnitosti kameniva použitého ve finském výzkumu PC ❚ Fig. 2 Aggregate gradations used in Finnish PC study Obr. 3 Deska z PC, betonování a hutnění vzorku ❚ Fig. 3 PC-slab and specimen casting and compacting
2
tou vzorku a jeho porézností byly, zejména v přípravné fázi, zkoušeny různé metody hutnění (obr. 3). ZKUŠEBNÍ METODY
Zkoušení čerstvého PC zahrnovalo vyhodnocení zpracovatelnosti a měření hustoty a obsahu mezer čerstvě namíchaného propustného betonu [17]. Výpočet obsahu mezer je založen na informacích o složení směsi a její teoretické hustotě. Teoretická hustota může být vypočtena na základě množství a hustot složek směsi. Obsah mezer v čerstvém PC dle ASTM C1688 zahrnuje všechny mezery a póry v čerstvém zhutněném PC. Vmíchaný vzduch se skládá z malých vzduchových pórů v cementové pastě nebo maltě PC. Vzájemně propojené velké póry, efektivní porozita, nesmí být zahrnuta. Pro vyhodnocení nebo měření obsahu vmíchaného vzduchu v čerstvém PC byly použity dvě metody. Pomocí první z nich je možné rychle získat přibližnou informaci o množství malých vzduchových pórů v PC. Malé množství čerstvého PC (cca 1 dl) je vloženo na dno válce o objemu 1 l naplněného vodou. Vzorek PC je pečlivě smíchán s vodou na dně válce. Při tom se uvolní malé vzduchové póry, které vztlakem vystoupají do horní části vody ve válci. Při správném provzdušnění PC tam bude zřetelná vrstva malých vzduchových bublinek, které vytvoří vrstvu pěny (obr. 7a). Druhou metodou („modifikovaná tlaková metoda“) je možné změřit množ-
Tab. 1 Složení betonové směsi ve finském výzkumu PC ❚ Tab. 1 Pervious concrete materials used in Finnish PC study
Složky betonu Kamenivo
Cement
Přísady
70
Astrakan SSr 0/1 (Extra fine gravel) Karhi SSr 0/4 (Fine gravel) Karhi LuoMu 4/8 (Gravel; water sieved) Läyliäinen SrM 8/12 (Crushed aggregate) CEM II/B-M (S-LL) 42,5 N (Plussementti) CEM I 52,5 R (Pikasementti) VB-Parmix (plasticizer; polykarboksylate based) Airmix (air entraing agent; syntehetic tenside based) Etonis 150 (polymer modifier)
3a
3b
3c
BETON • technologie • konstrukce • sanace
❚
5/2014
VĚDA A VÝZKUM
ství vmíchaných vzduchových pórů (v % PC nebo % cementové pasty nebo malty). Podle této nové zkušební metody jsou měřeny pouze malé póry v cementové pastě, nepočítají se v to velké vzájemně propojené mezery typické pro PC. Vlastní obsah vzduchu je měřen běžnou tlakovou zkouškou pro maltu (nádoba o objemu 1 l). Nový je postup před měřením. Vodní roztok glycerolu (cca 0,5 l, např. Blue AVA-liquid, který se běžně používá v Air Void Analyzer) se nalije do měřící nádoby. Poté se čerstvý PC opatrně vloží do této tekutiny tak, že téměř vyplní nádobu (obr. 4). V této fázi zmizí velké póry, vzduch z nich unikne. Do měření obsahu vzduchu je pak zahrnuto pouze kamenivo a malta kolem něj. Následně je přidán další vodní roztok
Obr. 4 Zkušební „modifikovaná“ metoda pro zjištění vmíchaného obsahu vzduchu v čerstvé směsi PC, vzájemně propojené dutiny nejsou zahrnuty ❚ Fig. 4 Test method for entrained air content of freshly mixed PC by a tentative „modified pressure method“, interconnected voids are excluded Obr. 5 Zkoušky prosakování vody, a) testovací zařízení pro 1 – ASTM C1701, 2 – EN 12697-40 a 3 – ASTM D3385, b) zkoušky podle EN 12697-40 (propustoměr s proměnlivým spádem pro asfalt) ❚ Fig. 5 Water infiltration testing, a) testing equipment for 1) ASTM C1701, 2) EN 12697-40 and 3) ASTM D3385; b) testing by EN 12697-40 (falling head permeameter for asphalt in situ drainability)
4a
5/2014
glycerolu, aby se tlaková měřící nádoba naplnila. Množství vodního roztoku glycerolu a množství PC musí být známo (doplňování nádoby na digitální váze). Nakonec je obsah vzduchu měřen stejně jako u běžné tlakové metody. Známe-li složení PC, hustoty všech jeho složek a hustotu vodního roztoku glycerolu, je možné spočítat obsah vzduchu vpraveného do PC, bez velkých vzájemně propojených mezer. Pro optické studie pomocí mikroskopu s přímým, polarizovaným a fluorescentním světlem byly vyrobeny tenké řezy. Tenký řez je plátek PC impregnovaný fluorescentním epoxidem, přilepený na podkladní sklíčko a chráněný krycím sklíčkem. Pro usnadnění práce byla fluorescentní epoxidová impregnace aplikována ve vakuu. Tloušťka řezu vyžadovaná pro analýzy cementových materiálů je 25 až 30 μm. Plocha tenkého řezu byla cca 35 × 55 mm. Pro každý PC byly připraveny dva řezy. Pevnost v tlaku, obvykle 28denní, byla měřena stejně jako u běžného betonu na krychlích o hraně 150 mm nebo na vývrtech o průměru 100 mm. Hustota a obsah mezer v ztvrdlém PC byly měřeny v podstatě podle ASTM C1754 pro PC. Rychlost prosakování vody ztvrdlým PC byla měřena čtyřmi metodami (obr. 5): • ASTM C1701 (constant head infiltration rate of in place pervious concrete) [18],
4b
5a
4c
5b
❚
❚
technologie • konstrukce • sanace • BETON
SCIENCE AND RESEARCH • EN 12697-40 (falling head permea-
meter for asphalt in situ drainability) [19], • EN 12697-19 (permeability of specimen for asphalt) [20] – v článku není uvedena, • ASTM D3385 (double-ring infiltrometer for infiltration rate of soils in field) [21]. Cílem bylo porovnat rychlosti infiltrace různých PC, určit vhodnost zkušebních metod pro jejich použití v laboratoři a na stavbě, a získat vzájemný vztah mezi jednotlivými metodami. Následně budou tyto zkušební postupy použity pro celou škálu propustných povrchů (dlažby, monolitické chodníky ad.). Pro posouzení vztahu mezi zanášením/čištěním PC a rychlostí filtrace bude postaven první simulační okruh (FS-Rig) s použitím výše zmíněných skladeb v kombinaci se štěrkovou podkladní vrstvou. V projektu CLASS je rovněž zahrnuto zkoušení odolnosti PC proti mrazu a rozmrazování s i bez CHRL, což však v tomto příspěvku není popsáno. Tyto zkoušky jsou z hlediska trvanlivosti nezbytné pro použití PC ve Finsku. Pro určení stupně poškození při namáhání PC mrazem a rozmrazováním ve vodě se používají odlišné postupy. Ty zahrnují stanovení relativního dynamického modulu pružnosti [%] a pevnosti v příčném tahu po mrazových cyklech s porovnáním s referenčními vzorky uloženými ve vodě (+ 20 °C). Mráz a rozmrazování v kombinaci s CHRL se zkouší na vzorku, jehož povrch je v kontaktu (ponoření cca 5 mm) s 3% roztokem soli. Hodnotí se povrchové poškození ponořené části. Zkušební metody na mráz a rozmrazování PC nejsou přesně v souladu s normovými postupy. Jedním z cílů CLASS je získat zkušenosti s těmito upravenými zkušebními postupy a určit, který typ je pro PC nejvhodnější. VÝSLEDKY
Byla stanovena křivka zrnitosti kameniva pro PC s rozdílnými maximálními velikostmi kameniva. Všechny směsi obsahovaly dva typy kameniva, hrubé kamenivo a trochu jemného kameniva, které má za úkol zvýšit trvanlivost PC. Optimalizovaná čára zrnitosti kameniva je na obr. 6. Výsledky studie vlivu různých metod hutnění na dvou velikostech vzorků jsou zobrazeny v tab. 3. Bylo zjištěno, že použité rozdílné způsoby hutnění neměly významný vliv na hustotu 71
VĚDA A VÝZKUM
❚
SCIENCE AND RESEARCH
Obr. 6 Křivka zrnitosti kameniva pro PC ❚ Fig. 6 Aggregate gradations for the PC-mixes
Tab. 3 Vliv různých způsobů hutnění na hustotu PC a obsah mezer v PC ❚ Tab. 3 Effect of different ways for compaction on the PC density and void content
Vzorek (krychle) Ia (150 mm) Ib (150 mm)
Hutnění (Proctor type method with 4,5 kg ) One layer: 30 drops One layer: 30 drops Two layers: II (150 mm) 5 + 25 drops Two layers: III (150 mm) 15 + 15 drops IVa (100 mm) Two layers. 15 + drops IVb (100 mm) Two layers. 15 + drops Průměr Směrodatná odchylka Minimum Maximum
6
7a
7b
7c
7d
8a
72
Hustota [kg/m3] 1 987 1 965
Obsah mezer [%] 22,2 23,1
3 307 500
1 995
21,9
3 352 500
1 981
22,5
1 000 000 1 000 000
1 980 1 969 1 980
22,5 22,9 22,5
11
0,4
1 965 1 995
21,9 23,1
ními postupy, jak bylo popsáno výše. Na tenkých řezech ztvrdlého PC bylo vyhodnoceno provzdušnění (obr. 7b). Byly připraveny dvě receptury (PC1-1 a PC1-2). Bylo zjištěno, že v obou případech obsahuje čerstvý PC malé vzduchové póry (obr. 7a). Obsah vzduchu v PC, zjištěný „modifikovanou tlakovou metodou“, byl 2,9 % pro PC1-1 a 3,8 % pro PC1-2. Tyto hodnoty odpovídají přibližně 13 a 17 % vzduchu v cementovém tmelu. Po optickém vyhodnocení tenkých řezů bylo zjištěno, že v těchto vzorcích PC byly malé vzduchové póry (obr. 7c až e). V budoucnu je možné jejich kvantitativní vyhodnocení a určení rozložení vzduchových pórů. Nové metody pro měření obsahu vzduchu v PC by mohly být 7e
8b
PC nebo na obsah mezer v PC. Je to dáno pravděpodobně tím, že všechny metody jsou poměrně efektivní. Obsah mezer byl ve všech případech dostatečně vysoký (22 až 23 %) a rozdíly mezi jednotlivými výsledky malé. Ve všech těchto případech obsah mezer zahrnoval i vzduchové póry (odhadované množství 2 % PC) vzniklé provzdušněním. Aby se zjistilo, je-li pevnost PC dostatečně vysoká vzhledem k vysokému obsahu mezer, měřila se 28den-
Objem [mm3] 3 262 500 3 375 000
ní pevnost PC v tlaku a obsah mezer v čerstvém PC. Pro tyto zkoušky obsahovala směs PC 300 kg/m3 cementu, vodní součinitel byl 0,27 a obsah mezer v čerstvém PC byl 24 %, včetně cca 3 % vzduchových pórů. Výsledná pevnost v tlaku (tři krychle o hraně 150 mm) byla 22,5 MPa (se směrodatnou odchylkou 3,1 MPa). To bylo více, než se předpokládalo, např. v porovnání s běžnými hodnotami na obr. 1. Obsah zapracovaných vzduchových pórů v PC byl měřen dvěma zkušeb-
Obr. 7 Analýza pórové struktury čerstvého PC, a) vrstva malých vzduchových bublin, které se do vody uvolnily z čerstvého PC, b) tenké řezy s epoxidovou pryskyřicí (žlutá) ve všech pórech (výška obr. je 50 mm), c až e) stejný výřez pod mikroskopem – vzájemně propojené velké póry pro pronikání vody a malé kulovité vpravené vzduchové póry pro zajištění dobré mrazuvzdornosti (UV-světlo, výška obr. je 4,5 mm) ❚ Fig. 7 Fresh PC pore structure studies, a) layer of small air bubbles which were released to water from the PC-mix; b) thin sections with epoxy (yellow) in all the pores (height of the picture is 50 mm); c) – e) this section photos by microscope –interconnected big pores for water infiltration and small spherical entrained air pores for good freeze-thaw resistance (UV-light, height of the picture is 4,5 mm). Obr. 8 Měření průsaku vody deskou z PC ukazující vysokou míru infiltrace, a) ASTM metoda jednoduchého prstence pro PC, b) ASTM metoda dvojitého prstence (pro půdu) ❚ Fig. 8 PC-slab water infiltration measurements showing high water infiltration rate: a) ASTM single ring method for PC; b) ASTM double ring method (for soil)
BETON • technologie • konstrukce • sanace
❚
5/2014
VĚDA A VÝZKUM
použity při řízení kvality PC pro zajištění jeho mrazuvzdornosti. Zkoušky průniku vody byly provedeny podle tří různých referenčních metod (ASTM C1701, EN 12697-40 a ASTM D3385) (obr. 5). Pro zkoušky byla použita jedna deska z PC (PC1-2). Obsah mezer v čerstvé směsi tohoto PC byl 23,8 %. Bez odhadu množství vzduchových pórů je efektivní porozita pro tento PC 20 %. Všechny tři metody ukázaly, že prosakování vody bylo velmi dobré (obr. 8). Závěry zkoušek pronikání vody jsou následující: • Dle metody jednoduchého prstence je průměrná hodnota pěti po sobě následujících měření 6,8 mm/s (od 5,9 do 7,2 mm/s, směrodatná odchylka 0,5 mm/s). • Podle zkoušky propustnosti dle EN 12697-40 byla měřena relativní hydraulická vodivost [s-1]. Tři následující měření byla provedena podle této metody. Průměrná hodnota byla 9,1 s-1 (od 9,1 do 9,2 s-1, směrodatná odchylka 0,05 s-1). • Pokud jde o měření metodou dvojího prstence (ASTM D3385), bylo hlavním závěrem, že deska z PC byla příliš propustná pro měření touto metodou, a tudíž nebylo možné provést řádné měření v souladu s normou i vzhledem k tomu, že metoda je určena pro zeminu. To se ale předpokládalo. Podle normy je metoda ve velmi propustných půdách, tam, Literatura: [1] EC 2012. Guidelines on best practice to limit, mitigate or compensate soil sealing. European Union SWD(2012) 101 [2] EU 2006. Soil Thematic Strategy, COM(2006) 231 [3] Jormola J. 2008. Vesisuhteiden hallinta kaupunkisuunnittelussa. (Water Management in Urban Planning, in Finnish). Yhdyskuntasuunnittelu (2008) Vol. 46:1, pp. 40–54 [4] Wahlgren I. & Kling T. 2013. CLASS WP1 – Kaupunkien tarpeet. VTT Tutkimusraportti VTT-R-08909-13. (City demands. VTT Research Report, in Finnish). 96 p. [5] Korkealaakso J., Tikanmäki M., Kuosa H., & Niemeläinen E. 2013. Review of pervious pavement dimensioning, hydrological models and their parameter needs. VTT Research Report VTT-R-08227-13 [6] Kuosa H., Niemeläinen E. & Loimula K. 2013. Pervious pavement systems and materials. VTT Research Report VTT-R08222-13. 95 p. [7] Kuosa H. & Niemeläinen E. 2013a. Pervious pavement testing methods.
5/2014
❚
❚
kde je hydraulická vodivost větší než cca 0,1 mm/s, obtížně použitelná, nebo výsledná data mohou být nespolehlivá, nebo obojí. Metoda dvojího prstence může být použitelnější pro analýzy PC po významném zanesení nečistotami. Z ÁV Ě R
Finský výzkum betonu propouštějícího vodu započal v roce 2012 na základě potřeb obcí řešit hospodaření s dešťovou vodou. Vodu propouštějící betonový povrch v kombinaci s vhodnými podkladními materiály se dříve ve Finsku nepoužíval vzhledem k nedostatkům v navrhování a provádění, které vedly k nedostatečné trvanlivosti těchto konstrukcí v zimních podmínkách. Nový výzkum umožnil vyhodnotit materiály vhodné pro PC a určit složení PC tak, aby vyhověly finským normám a funkčním požadavkům pro vsakování dešťové vody. Laboratorní studie se zaměřily na vyhodnocení pevnosti, obsahu mezer a filtraci pro zajištění požadovaného chování se zvláštní pozorností na mrazuvzdornost ve skandinávském klimatu. Byly vyvinuty nové zkušební metody pro posouzení charakteru provzdušnění souvisejícího s odolností vůči mrazu. Doposud získané výsledky ukázaly, že návrh a pozdější realizace betonů propouštějících vodu na plochách s nízkou dopravní zátěží jsou
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
State-of-the-Art. VTT Research Report VTT-R-08222-13 Loimula K. & Kuosa H. 2013. The impact of pervious pavements on water quality. State-of-the-Art. VTT Research Report VTT-R-08224-13. 16 p. Kuosa H. & Niemeläinen E. 2013. Pervious pavement winter performance. State-of-the-Art. VTT Research Report VTT-R-08223-13 ACI ACI 522R-10. 2010. Report on pervious concrete. ACI Committee 522, 38 p. Concrete Promotional Group Inc. 2013. Handbook for Pervious Concrete Certification in Greater Kansas City. 38 p. Pervious Concrete Pavement. U.S. National Ready Mixed Concrete Association http://www.perviouspavement.org/index.html Mata L. A. 2008. Sedimentation of Pervious Concrete Pavement Systems. A dissertation, Civil Engineering, Raleigh, North Carolina. 289 p. Kevern J. T., Wang K., & Schaefer V. R. 2009. Test Methods for Characterizing Air Void Systems in Portland Cement
technologie • konstrukce • sanace • BETON
SCIENCE AND RESEARCH
možné. Vodu propouštějící beton může být navržen tak, aby byl odolný vůči arktickým podmínkám, a v kombinaci s vhodným návrhem podkladních vrstev může zajistit dlouhodobé vsakování vody. Pro zachování filtrační schopnosti je nezbytná důsledná údržba, zejména s ohledem na odstraňování posypového písku používaného při náledí, který může zanést mezery. Poděkování The 2-year Finnish permeable pavement project has been funded by Tekes (the Finnish Funding Agency for Technology and Innovation), VTT and 16 industrial partners. Their support is acknowledged, with a special emphasis on the materials provided by Rudus Oy and Finnsementti Oy. Partnership cooperation with the Swedish Grey-Green project, coordinated by CBI and financed by Vinnova, is also acknowledged.
Hannele Kuosa, M.Sc. e-mail:
[email protected] Erika Holt, Ph.D. e-mail:
[email protected] obě: VTT Technical Research Centre of Finland Espoo, Finsko Text článku byl posouzen odborným lektorem.
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
Pervious Concrete. Reprinted from JAI, Vol. 6, No. 9. In Journal of ASTM International Selected Technical Papers, STP 1511, Recent Advancement in Concrete Freezing-Thawing (F-T) Durability, Ed. Wang, K., pp. 128–143 ASTM C457 / C457M – 12. Standard Test Method for Microscopical Determination of Parameters of the Air-Void System in Hardened Concrete. 15 p. Kuosa H., Leivo M., Holt E. & Ferreira R. M. 2012. Effect of varying surface ageing on frost-salt scaling. IABMAS 2012. 8 p. ASTM C1688 / C1688M. 2013. Standard Test Method for Density and Void Content of Freshly Mixed Pervious Concrete. 4 p. ASTM C1701 / C1701M – 09. Standard Test Method for Infiltration Rate of In Place Pervious Concrete. 3 p. EN 12697-40:2012. Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt. In situ drainability. 18 p. ASTM D3385 – 09. Standard Test Method for Infiltration Rate of Soils in Field Using Double-Ring Infiltrometer. 7 p.
73
