NESTMELENÉ SMĚSI A SMĚSI STMELENÉ HYDRAULICKÝMI POJIVY PRO VRSTVY VOZOVEK Úvod Jak funguje vrstva stmelená hydraulickými pojivy Co je příčinou únosnosti nestmelených podkladních vrstev vozovek. Je to pevnost ve smyku, způsobená vnitřním třením mezi zrny kameniva ve vrstvě. Co je však zdrojem únosnosti v případě vrstev stmelených hydraulickými pojivy? Odpověď na tuto otázku není vůbec jednoduchá, i když se to může na první pohled zdát. Důvody k těmto pochybnostem jsou zřejmé: -
Vrstvy ze směsí stmelených hydraulickými pojivy mají relativně vysoký modul pružnosti a nízkou pevnost. Proto v nich i při malé deformaci vznikají velká napětí, kterým vrstva není schopna odolat. Dá se to vyjádřit i tak, že řekneme, že vrstva je křehká. Z tohoto důvodu se pod vlivem i malého zatížení každá položená vrstva porušuje a velmi rychle se v ní vytvoří množství nepatrných trhlinek. Tyto trhlinky ještě více sníží pevnost vrstvy (zejména v tahu za ohybu), ale na druhé straně zlepší její „poddajnost“ tak, že se vrstva v netuhé vozovce nechová jako tuhá deska.
-
Laboratorní pevnosti a přetvárné charakteristiky směsí stmelených hydraulickými pojivy jsou přibližně 10x vyšší, než ty, které jsou běžně měřeny na vozovce. Toto je způsobeno tím, že ve směsích zkoumaných v laboratoři nejsou žádné trhlinky.
Fungování vrstev stmelených hydraulickými pojivy se tedy nedá vysvětlit jen na základě existence jejich pevnosti, i když tato pevnost se využívá k jejich klasifikaci a kontrole. Protože vrstva „nevisí ve vzduchu“ ale vždy leží na podkladu, který svým spolupůsobením významně omezuje její průhyb a tím též umožňuje její existenci. Proto si nelze představit, že ve vrstvě stmelené hydraulickým pojivem by její pevnost byla jedinou příčinou její únosnosti. Je tedy potřebné hledat příčiny další. V každé vrstvě, stmelené i nestmelené se významně uplatňuje pevnost ve smyku, způsobená dvěma faktory: -
vnitřní tření mezi zrny kameniva nebo zeminy
-
koheze (soudržnost ve smyku)
U nestmelených materiálů je dominantní složkou pevnosti ve smyku vnitřní tření. Koheze, pokud existuje, je způsobená kapilárními silami vlivem vlhkostí a její velikost je zanedbatelná (tzv. nepravá koheze). Jiná situace je však u materiálů stmelených, kde je koheze významným faktorem ovlivňujícím pevnost ve smyku – viz obrázek 1. Jak bylo uvedeno, ve vrstvách ze směsí stmelených hydraulickými pojivy vznikají mikrotrhliny. Ty podstatně snižují pevnost v tlaku, ale na smykovou pevnost nemají prakticky vliv, protože mají jiný směr než ve kterém působí smykové síly. Naopak působí příznivě tím, že vrstva se částečně chová i jako nestmelená. Proto se při navrhování vozovek u vrstev stmelených hydraulickými pojivy s jejich pevností prakticky nepočítá a tyto vrstvy se na účinky namáhání a následného porušování ani neposuzují (jsou vlastně porušeny od samého začátku). POZNÁMKA 1 Výpočetní modely, zohledňující pevnost a její pokles během životnosti vozovky sice existují, jsou však velmi komplikované a otázkou je zda se opravdu přibližují skutečné realitě. POZNÁMKA 2 Pokud se zvýší pevnost vrstev tak, aby žádné mikrotrhliny nevznikaly, vznikne tuhá vozovka.
NESTMELENÉ SMĚSI Nízká koheze způsobená kapilární vlhkostí. Vliv na pevnost ve smyku je zanedbatelný
úhel vnitřního tření φ
τ
c σ3
τ = c + σ × tgϕ σ1
STMELENÉ SMĚSI úhel vnitřního tření φ
Vysoká koheze způsobená působením pojiva. Vliv na pevnost ve smyku je rozhodující
τ
c
σ3
τ = c + σ × tgϕ
σ1
Legenda: C
koheze
σ 1, σ 3
hlavní napětí
τ
smykové napětí
φ
úhel vnitřního tření Obrázek 1 − Moohrova kružnice – nestmelené a stmelené směsi
Z obrázku vyplývá, že odlišnost nestmelených vrstev a vrstev stmelených hydraulickými pojivy je dána tím, zda je dominantní koheze nebo vnitřní tření. Během doby životnosti se vrstva porušuje postupným rozvojem mikrotrhlin a vliv koheze se zmenšuje a postupně se chování vrstvy začíná přibližovat chování vrstvy nestmelené. Pevnost vrstvy je jistě velmi důležitá, ale na druhé straně by se její význam neměl přeceňovat.
Úloha vrstev stmelených hydraulickými pojivy ve vozovce Pokud se uvažuje celá konstrukce vozovky včetně krytu, jistě není pochyb o tom, že stmelené vrstvy jsou zde kvalitnější (tužší), odolnější, trvanlivější. V případě vrstev podkladních však toto nelze jednoznačně potvrdit. Pokud se bude dále pojednávat o stmelených vrstvách, myslí se tím vrstvy stmelené hydraulickými pojivy. Použití stmelené podkladní vrstvy nemá tak jednoznačný přínos, jak by se mohlo na první pohled zdát. Pokud navíc v podkladní vrstvě nevzniknou v dostatečné míře mikrotrhliny, vrstva se začne chovat jako betonová deska a vznikem příčných trhlin si vynutí potřebnou dilataci. Tím vzniká pravděpodobnost výskytu tzv. reflexních trhlin, které jsou důsledkem prokopírování smršťovacích trhlin z podkladní vrstvy do asfaltového krytu. Vznik mikrotrhlin se tedy zavádí uměle tím, že se čerstvě položená vrstva v době zrání přejíždí válcem. Použití podkladních vrstev ze směsí stmelených hydraulickými pojivy přináší následující rozpory: - Čím vyšší pevnost, tím větší riziko tvorby reflexních trhlin. - Podpora vzniku mikrotrhlin při pokládce vrstvy je v rozporu s návrhem směsi o vyšší pevnosti. Směs s navrženou vyšší pevnosti přehutněná válcem za účelem vzniku mikrotrhlin je téměř totéž jako směs o nižší pevnosti bez iniciace mikrotrhlin. - Nepatrně nižší tloušťka konstrukce vozovky oproti vyšší ceně. Je vhodné respektovat existenci dvou základních typů vozovek, které fungují úplně odlišným způsobem – jsou to vozovky tuhé (cementobetonové) a netuhé (asfaltové). Vozovky s podkladními vrstvami ze směsí stmelených hydraulickými pojivy zvláště o vyšších pevnostech se někdy nazývají „polotuhé“. Je potřeba si uvědomit, že zavedením tohoto pojmu se problém za tento pojem jen schovává, ale neřeší. Snaha o kvalitnější úpravu v podkladní vrstvě vozovky se použitím směsí stmelených hydraulickými pojivy naplňuje jen částečně. Hlavní smysl použití směsí stmelených hydraulickými pojivy v konstrukci vozovek je tedy v možnosti využití kameniva a různých místních materiálů nebo druhotných surovin, ze kterých nelze vyrobit kvalitní nestmelenou vrstvu a které by bez možnosti aplikace hydraulických pojiv zůstaly nevyužity.
POZNÁMKA Původní smysl tzv. stabilizací ve světě byl vyřešit situaci, kdy bylo potřeba vybudovat komunikaci a na velkou vzdálenost nebyl žádný zdroj vhodného kameniva. Tak se použil místní materiál s přidáním pojiva. Původní snahou tedy nebylo vybudovat kvalitnější stmelenou vrstvu ale využít místní materiál. S postupem doby se však začaly prosazovat názory, že stmelená podkladní vrstva je kvalitnější a stabilizace byly povýšeny, aby nahradily „zastaralé“ nestmelené vrstvy. Tam, kde nestmelené vrstvy měly svoji tradici (granular base course – USA) si zachovaly stabilizace po celou svou historii svůj původní význam. U nás jsme si však prožili jisté období, kdy stabilizace měly mít v podkladních vrstvách dominantní úlohu, toto období však rychle pominulo zejména díky zavedení technologie MZK. Na závěr úvodní kapitoly je vhodné provést následující shrnutí: - Směsi stmelené hydraulickými pojivy by se měly uplatňovat především při využívání materiálů, ze kterých nelze vyrobit nestmelenou vrstvu, měl by se zohledňovat ekologický význam při využívání místních materiálů, druhotných surovin a alternativních pojiv. - Směsi stmelené hydraulickými pojivy o vyšší pevnosti neznamenají automaticky vyšší kvalitu a lepší uplatnění v konstrukci vozovky. Význam pevnosti by se neměl přeceňovat. Pevnost je veličina, která slouží pro kategorizaci směsí a ne jako míra kvality a užitné hodnoty. - Navrhování směsí o vysokých pevnostech nemusí být pro konstrukci vozovky vždy přínosem a mělo by se provádět velmi opatrně se zvážením všech okolností (např. reflexní trhliny, drcení desek na poddolovaném území).
Evropské normy pro nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy Všeobecně V rámci přejímání evropských norem bylo zpracováno a vydáno překladem 20 norem zkušebních, 1 specifikace pro nestmelené směsi a 10 specifikací pro směsi stmelené hydraulickými pojivy. K většině specifikací byly vypracovány národní přílohy. K tomu bylo zpracováno dalších 8 navazujících ČSN. Evropské normy – specifikace se zabývají jen požadavky na stavební směs. Její další zpracování až po finální výrobek, konstrukční vrstvu vozovky je nutno řešit na národní úrovni pomocí navazující ČSN. Pro přehled je na obrázku 2a, 2b uvedeno schéma norem pro nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy:
NESTMELENÉ SMĚSI MATERIÁL
SMĚS
VRSTVA
ČSN EN 13242 kamenivo
ČSN EN 13285
ČSN 73 6126-1
MZK, ŠD, ŠP
MZK, ŠD, ŠP
nestandartní mat. z místních zdrojů, vhodná zemina
ČSN EN 13285 MZ
ČSN 73 6126-1 MZ
ČSN 73 6126-2 VŠ
ČSN EN 13242 kamenivo Původní nahrazované normy: ČSN 73 6126
ČSN 72 1512
Obrázek 2a − Schematické znázornění norem pro nestmelené směsi SMĚSI STMELENÉ HYDRAULICKÝMI POJIVY MATERIÁL
SMĚS
VRSTVA
ČSN EN 13242 kamenivo
ČSN EN 14227-1 až 5 třídy pevnosti
ČSN 73 6124-1 vrstva vozovky *)
ZEMINA
ČSN EN 14227-10 až 14 CBR, třídy pevnosti *)
ČSN 73 6133 zlepšené podloží
Původní nahrazované normy: ČSN 72 1512
ČSN 73 6124, ČSN 73 6125, revize ČSN 73 6133
Obrázek 2b − Schematické znázornění norem pro směsi stmelené hydraulickými pojivy
Normy pro směsi stmelené hydraulickými pojivy se dělí do dvou skupin: 1.
Řada norem ČSN EN 14227-1 až 5 pro směsi kameniva stmeleného hydraulickými pojivy pro konstrukční vrstvy vozovek pozemních komunikací
2.
Řada norem ČSN EN 14227-10 až 14 pro zeminy stmelené hydraulickými pojivy především pro úpravu podloží a za určitých podmínek i pro konstrukční vrstvy vozovek pozemních komunikací.
Zpracování směsí určených do konstrukce vozovek řeší nová norma ČSN 73 6124-1, zpracování směsí zemin pro úpravu podloží bude řešeno v rámci revize ČSN 73 6133. Přehled všech citovaných norem je uveden v příloze A. Názvosloví pro upravované (stmelené) materiály Názvosloví stmelených směsí podle evropských norem je poněkud odlišné od našeho. Přehled definic a navazujícího způsobu klasifikace je uveden ve schématu v tabulce 2. Normy ČSN EN 14227-1 až 5 definují směsi jako stmelené (bound), tyto směsi se klasifikují dle doporučení národní přílohy podle pevnosti v tlaku. Poněkud složitější situace je u norem ČSN EN 14227-10 až 14. Tyto normy zavádějí obecný pojem upravené (treated), který je pro těchto 5 norem společný. V prvních dvou normách má zcela obecný význam, protože tyto normy pro vlastní klasifikaci zavádějí pojmy další ale pro zbývající tři normy platí jen tento jediný pojem upravené, i když analogicky by mohly platit stejné pojmy jako v normě první. Není zcela jasné, jestli se jedná o nedostatek EN nebo o úmysl. Situace je dále komplikovaná tím, že druhá norma pro zeminy upravené vápnem je od ostatních norem poněkud odlišná.
Existují dva pojmy, které nejsou pro klasifikaci podstatné UPRAVENÉ
obecný pojem pro směsi se zemin s pojivy
ZLEPŠENÉ
úprava pro umožnění provedení stavby, posuzovaná jako zemní práce, týká se jen EN 14227-11
Pojmy týkající se klasifikace STMELENÉ
směsi charakterizované dostatečnou pevností aby mohly být použity do konstrukční vrstvy
vozovky, klasifikují se podle pevnosti v tlaku (směsi kameniva podle ČSN EN 14227-1 až 5 ale i zeminy podle ČSN EN 142287-10 nebo 12 až 14, pokud se dosáhne dostatečné pevnosti) STABILIZOVANÉ
směs zeminy s pojivem určená do podloží, klasifikuje se podle CBR vyrobená podle ČSN EN
14227-10 (zeminy upravené cementem). Tabulka 2 – Přehled definic norem pro směsi kameniva stmelené hydraulickými pojivy
Norma
Definice obsažené v normě
způsob klasifikace
ČSN EN 14227-1
směs stmelená cementem (cement bound granular mixture CBGM) PEVNOST hydraulicky stmelená směs kameniva s řízenou zrnitostí a cementu nebo hydraulického silničního pojiva typu E jako pojiva, vyráběná způsobem, který zajišťuje homogenitu směsi
ČSN EN 14227-2
směs stmelená hydraulickým pojivem (hydraulically bound mixture) PEVNOST směs která tuhne a tvrdne hydraulickou reakcí směs stmelená struskou (slag bound mixture) směs obsahující jednu nebo více uvedených strusek a vody, která tvrdne při hydraulické reakci a/nebo karbonatací PEVNOST
ČSN EN 14227-3
směs stmelená hydraulickým pojivem (hydraulically bound mixture) směs, která tuhne a tvrdne hydraulickou reakcí směs stmelená popílkem (fly ash bound mixture) směs stmelená hydraulickým pojivem, kde hlavní složkou pojiva jsou křemičitanové nebo vápenaté popílky
ČSN EN 14227-5
PEVNOST směs stmelená hydraulickým pojivem (hydraulically bound mixture) směs, která tuhne a tvrdne hydraulickou reakcí směs stmelená hydraulickým silničním pojivem (hydraulic road binder bound mixture) hydraulicky stmelená směs, kde pojivem je hydraulické silniční pojivo
Norma
Definice obsažené v normě
ČSN EN 14227-10
zemina upravená cementem (soil treated by cement) směs vzniklá přidáním cementu a kde je to vhodné dalších složek do zeminy POZNÁMKA 1 Pro účely této normy jsou zeminy upravené cementem popsány ve dvou skupinách označených jako zemina stabilizovaná cementem a zemina stmelená cementem. Zlepšení zemin cementem pouze pro umožnění provedení stavby bez potřeby zlepšení únosnosti vozovky je posuzováno jako zemní práce, které nespadají do předmětu této normy zemina stabilizovaná cementem (cement stabilised soil) CBR směs zeminy nebo kameniva, cementu jako pojiva a pokud je to vhodné dalších složek, která je navržena tak, aby se dosáhlo únosnosti měřené zkouškou kalifornského poměru únosnosti PEVNOST zemina stmelená cementem (cement bound soil) směs zeminy nebo kameniva, cementu jako pojiva a kde je to vhodné dalších složek, která je navržena tak, aby se dosáhlo soudržnosti přímo měřitelné pomocí pevnosti v tlaku nebo pevnosti v tahu a modulu pružnosti
ČSN EN 14227-11
zemina upravená vápnem (soil treated by lime) směs vzniklá přidáním vápna do zeminy tak, aby mohla splnit dané požadavky POZNÁMKA To zahrnuje obojí: zlepšení i stabilizaci zemina zlepšená vápnem (soil improved by lime) směs vzniklá úpravou zeminy vápnem, jež bezprostředně ovlivňuje vlastnosti směsi, například snížením vlhkosti a/nebo zvýšením únosnosti a/nebo snížením plasticity, pro zajištění jedné nebo více následujících vlastností: IBI - možnost manipulace běžnými mechanismy pro zemní práce; - možnost dostatečného zhutnění ve vrstvách; - možnost být pojížděna a poskytnutí podkladu pro pokládku další vrstvy; - příprava zeminy pro následné zpracování struskou, popílkem, cementem, hydraulickým silničním pojivem nebo jiným materiálem zemina stabilizovaná vápnem (soil stabilised by lime) CBR směs vzniklá úpravou zeminy s vápnem, která výrazně zvyšuje, obecně nebo střednědobě až dlouhodobě její mechanické vlastnosti a trvanlivost, zejména PEVNOST s ohledem na účinky vody a mrazu
ČSN EN 14227-12
zemina upravená struskou (soil treated with slag) směs zeminy, strusky, dalších složek a vody, která tuhne a tvrdne hydraulickou reakcí
způsob klasifikace
CBR nebo PEVNOST
NEUVÁDÍ ŽÁDNÉ ANALOGICKÉ DEFINICE JAKO ČSN EN 14227-10 a 11 ČSN EN 14227-13
zemina upravená hydraulickým silničním pojivem (soil treated with hydraulic road binder) směs zeminy, hydraulického silničního pojiva, pokud je to vhodné dalších CBR složek a vody, která tuhne a tvrdne hydraulickou reakcí. nebo NEUVÁDÍ ŽÁDNÉ ANALOGICKÉ DEFINICE JAKO ČSN EN 14227-10 a 11
ČSN EN 14227-14
zemina upravená popílkem (soil treated by fly ash) směs popílku, zeminy, dalších složek a vody, která tuhne a tvrdne hydraulickou reakcí NEUVÁDÍ ŽÁDNÉ ANALOGICKÉ DEFINICE JAKO ČSN EN 14227-10 a 11
PEVNOST
CBR nebo PEVNOST
Klasifikace podle mechanických vlastností Směsi stmelené hydraulickými pojivy se klasifikují zásadně na základě svých mechanických vlastností. Pokud se vyrobí například směs třídy pevnosti C3/4 stmelená cementem podle ČSN EN 14227-1 nebo struskou podle ČSN EN 14227-2 nebo popílkem podle ČSN EN 14227-3 nebo hydraulickými silničními pojivy podle ČSN EN 14227-5, jedná se z hlediska klasifikace a užitných vlastností stále o stejnou směs. Není rozhodující ani to, zda je tato směs vyrobena v míchacím centru nebo pomocí zemní frézy na stavbě. Proto bylo rozhodnuto upustit od používání původních názvů technologií (S I, S II, KSC I, KSC II, VB), které znamenaly jistou podřízenost klasifikace směsí těmto pojmům. V případě směsí stmelených hydraulickými pojivy podle evropských norem by to celý systém klasifikace značně zkomplikovalo. Pro snadnější počáteční orientaci jsou v tabulce 4 pro srovnání k jednotlivým třídám pevnosti přiřazeny původní názvy technologií.
Tabulka 4 - Přiřazení původních názvů technologií ke třídám pevnosti Řádek
Třída pevnosti Rck
Užívaný název technologie
1
C0
—
2
C1,5 /2,0
stabilizace cementem S II
3
C3/4
stabilizace cementem S I
4
C5/6
kamenivo zpevněné cementem KSC II
5
C8/10
kamenivo zpevněné cementem KSC I
6
C12/15
válcovaný beton VB I
7
C16/20
podkladový beton PB II
8
C20/25
podkladový beton PB I
Závěr Pro pochopení evropských norem pro směsi stmelené hydraulickými pojivy a jejich efektivní používání je nezbytné respektovat následující zásady: - Chování vrstvy stmelené hydraulickými pojivy nelze vysvětlit jen na základě její pevnosti v tlaku, vrstva se částečně chová i jako nestmelená. - Čím je vyšší pevnost, tím je větší riziko tvorby reflexních trhlin. - Smysl aplikace směsí stmelených hydraulickými pojivy je především ve využití místních materiálů a druhotných surovin. - Evropské normy řeší jednak směsi z kameniva stmeleného hydraulickými pojivy pro oblast konstrukčních vrstev vozovek a dále zeminy upravené hydraulickými pojivy prioritně určené pro úpravu podloží. - Evropské normy zavádějí poněkud odlišné názvosloví než to, které platilo podle původních ČSN. - Klasifikace směsí se provádí na základě tříd pevnosti nebo CBR, staré názvy a zkratky se nebudou používat. - Směs je definována podle svých vlastností, nikoliv původu materiálu nebo technologie výroby. - Pochopení požadavků evropských norem, vyjádřených pomocí kategorií a jejich správné využívání vede
ke zvýšení efektivity provádění stavebních prací.
Příloha A – Přehled citovaných norem Normy ČSN EN pro směsi z kameniva stmelené hydraulickými pojivy ČSN EN 14227-1 Směsi stmelené hydraulickými pojivy – Specifikace – Část 1: Směsi stmelené cementem ČSN EN 14227-2 Směsi stmelené hydraulickými pojivy – Specifikace – Část 2: Směsi stmelené struskou ČSN EN 14227-3 Směsi stmelené hydraulickými pojivy – Specifikace – Část 3: Směsi stmelené popílkem ČSN EN 14227-4 Směsi stmelené hydraulickými pojivy – Specifikace – Část 4: Popílky pro směsi stmelené hydraulickými pojivy ČSN EN 14227-5 Směsi stmelené hydraulickými pojivy – Specifikace – Část 5: Směsi stmelené hydraulickými silničními pojivy
Normy ČSN EN pro směsi ze zemin stmelených hydraulickými pojivy ČSN EN 14227-10 Směsi stmelené hydraulickými pojivy – Specifikace – Část 10: Zeminy upravené cementem ČSN EN 14227-11 Směsi stmelené hydraulickými pojivy – Specifikace – Část 11: Zeminy upravené vápnem ČSN EN 14227-12 Směsi stmelené hydraulickými pojivy – Specifikace – Část 12: Zeminy upravené strusku ČSN EN 14227-13 Směsi stmelené hydraulickými pojivy – Specifikace – Část 13: Zeminy upravené hydraulickými silničními pojivy ČSN EN 14227-14 Směsi stmelené hydraulickými pojivy – Specifikace – Část 14: Zeminy upravené popílkem
Ostatní navazující nebo zbytkové ČSN ČSN 73 6124-1 Stavba vozovek. Vrstvy ze směsí stmelených hydraulickými pojivy – Část 1: Provádění a kontrola shody ČSN 73 6124-2 Stavba vozovek. Vrstvy ze směsí stmelených hydraulickými pojivy – Část 2: Mezerovitý beton ČSN 73 6127-1 Stavba vozovek. Prolévané vrstvy – Část 1: Vrstva ze štěrku částečně vyplněného cementovou maltou ČSN 73 6127-2 Stavba vozovek. Prolévané vrstvy – Část 2: Penetrační makadam ČSN 73 6127-3 Stavba vozovek. Prolévané vrstvy – Část 3: Asfaltocementový beton ČSN 73 6127-4 Stavba vozovek. Prolévané vrstvy – Část 4: Kamenivo zpevněné popílkovou suspenzí (KAPS) revize ČSN 73 6133 Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních komunikací revize ČSN EN 13242 Kamenivo pro nestmelené směsi a směsi stmelené hydraulickými pojivy pro inženýrské stavby a pozemní komunikace ČSN ENV 13282 Hydraulická silniční pojiva – složení, specifikace kritéria shody ČSN EN 13877-1 Cementobetonové kryty - Část 1: Materiály
Normy pro nestmelené směsi a vrstvy ČSN EN 13285 Nestmelené směsi - Specifikace ČSN 73 6126-1 Stavba vozovek - Nestmelené vrstvy - Část 1: Provádění a kontrola shody ČSN 73 6126-2 Stavba vozovek - Nestmelené vrstvy - Část 2: Vrstva z vibrovaného štěrku ZDROJ: školení SENS 3, 2008, autor Ing. Jan Zajíček
