Analysis of causes of damage to single-layer concrete highway pavement

• Autorzy: Glinicki Michał A. , Jóźwiak-Niedźwiedzka Daria , Antolik Aneta , Dziedzic Kinga , Dąbrowski Mariusz , Bogusz Karolina , Lisowski Paweł

Identyfikatory

DOI

10.7409/rabdim.022.011

Warianty tytułu

PL

Analiza przyczyn uszkodzeń jednowarstwowej betonowej nawierzchni drogi ekspresowej

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Premature damage to the concrete pavement of a trunk road section after 15 years of its service life was noticed. The damage manifested itself in cracking along transverse joints and in the corners of slabs. Diagnostic investigations, covering a petrographic analysis of concrete and mineral aggregates by means of optical and scanning microscopy, an evaluation of the elastic properties, the degree of cracking and air-void parameters and an identification of the alkali-silica reaction products, were carried out on core samples. Multiple cracks in coarse quartzite aggregate particles and in cement matrix were found. A significant presence of microcrystalline and cryptocrystalline quartz in quartzite particles was detected. Typical alkali-silica reaction products were unambiguously identified. The considerable cracking and the substantial decrease in the modulus of elasticity were correlated with the presence of reactive quartz in the quartzite aggregate and the alkali-silica reaction was found to be the main cause of the damage. Additional damaging factors, such as heavy traffic loads and frost aggression, are discussed.

PL

Po 15 latach eksploatacji odcinka drogi ekspresowej zaobserwowano przedwczesne uszkodzenia nawierzchni betonowej objawiające się widocznymi spękaniami, głównie wzdłuż spoin poprzecznych oraz w narożach płyt. Na próbkach-odwiertach przeprowadzono badania diagnostyczne, obejmujące analizę petrograficzną betonu i kruszyw mineralnych przy użyciu mikroskopii optycznej i skaningowej, ocenę właściwości sprężystych, stopnia spękania i charakterystyki porów, a także identyfikację produktów reakcji alkalia-krzemionka. Stwierdzono liczne pęknięcia w ziarnach kruszywa grubego kwarcytowego oraz w matrycy cementowej. W ziarnach kwarcytu zidentyfikowano znaczącą obecność kwarcu mikrokrystalicznego i kryptokrystalicznego. Jednoznacznie zidentyfikowano produkty reakcji alkalia-krzemionka o typowym składzie. Znaczne spękanie i zmniejszenie modułu sprężystości skorelowano z obecnością reaktywnego kwarcu w kruszywie kwarcytowym, uznając reakcję alkalia-krzemionka za główną przyczynę uszkodzeń. Przedyskutowano możliwą rolę dodatkowych czynników destrukcyjnych, takich jak wpływ ruchu pojazdów ciężkich oraz agresji mrozu.

Słowa kluczowe

EN

concrete; road pavement; pavement evaluation; aggregate; quartzite; alkali-silica reaction; cracks; service life

PL

beton; diagnostyka; kruszywo; kwarcyt; nawierzchnia drogowa; reakcja alkalia-krzemionka; spękania; trwałość

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 21, no. 3
• Strony: 183--201
• Opis fizyczny: Bibliogr. 42 poz., rys.

Twórcy

autor

Glinicki Michał A.

• Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences, 5B Pawińskiego St., 02-106 Warsaw

autor

Jóźwiak-Niedźwiedzka Daria

• Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences, 5B Pawińskiego St., 02-106 Warsaw

autor

Antolik Aneta

• Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences, 5B Pawińskiego St., 02-106 Warsaw

autor

Dziedzic Kinga

• Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences, 5B Pawińskiego St., 02-106 Warsaw

autor

Dąbrowski Mariusz

• Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences, 5B Pawińskiego St., 02-106 Warsaw

autor

Bogusz Karolina

• Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences, 5B Pawińskiego St., 02-106 Warsaw

autor

Lisowski Paweł

• Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences, 5B Pawińskiego St., 02-106 Warsaw

Bibliografia

• 1. Szydło A., Mackiewicz P., Wardęga R., Krawczyk B.: Katalog typowych konstrukcji nawierzchni sztywnych, Załącznik do zarządzenia Nr 30 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad, Warszawa, 16.06.2014
• 2. Amirkhanian A., Skelton E. (eds.): Proceedings of the 12th International Conference on Concrete Pavements, 27.09.2921 – 01.10.2021, Minneapolis, DOI.: 10.33593/i1c2cp
• 3. Korentz J., Jurczak R., Szmatuła F., Rudnicki T.: Właściwości nawierzchni betonowej autostrady A18 po 82 latach eksploatacji. Budownictwo, Technologie, Architektura, 96, 4, 2021, 68-71
• 4. Van Dam T.J., Sutter L.L., Smith K.D., Wade M.J., Peterson K.R.: Guidelines for detection, analysis and treatment of materials-related distress in concrete pavements. Final report, volume 1, FHWA-RD-01-163, 2002
• 5. Sims I., Poole A.B. (eds.): Alkali-Aggregate Reaction in Concrete: A World Review. CRC Press, London 2017
• 6. Owsiak Z., Zapała-Sławeta J., Czapik P.: Diagnosis of concrete structures distress due to alkali-aggregate reaction. Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences, 63, 1, 2015, 23-29
• 7. Glinicki M.A., Jóźwiak-Niedźwiedzka D., Antolik A., Dziedzic K., Gibas K.: Susceptibility of selected aggregates from sedimentary rocks to alkali-aggregate reaction. Roads and Bridges - Drogi i Mosty, 18, 1, 2019, 5-24; DOI: 10.7409/rabdim.019.001
• 8. Fishboeck E.K., Harmuth H.: An Austrian experience with identification and assessment of alkali-reaction in motorways, in: Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting II, edited by M. Alexander, H.D. Beushausen, F. Dehn, P. Moyo, Taylor and Francis Group, London, 2009
• 9. Allard A., Fournier B., Bastien J., Bissonnette B., Sanchez L. , Duchesne J.: Evaluation of the degree of damage caused by alkali-silica reaction in a highway pavement: a case study. 15th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction, Sao Paulo, 2016
• 10. Fournier B., Bérubé M.A., Folliard K.J., Thomas M.: Report on the Diagnosis, Prognosis, and Mitigation of Alkali-Silica Reaction (ASR) in Transportation Structures. FHWA, Washington, DC, 2010
• 11. Mielich O.: Alkali-silica reaction (ASR) on German motorways: an overview. Otto-Graf-Journal, 18, 2019, 197-208
• 12. Breitenbücher R., Przondziono R., Meng B., Krütt E., Weise F.: Alkali-Silica-Reaction in concrete pavements considering traffic and de-icing agents. 13th International Symposium on Concrete Roads, Berlin, June 2018
• 13. Frýbort A., Všianský D., Štulířová J., Stryk J., Gregerová M.: Variations in the composition and relations between alkali-silica gels and calcium silicate hydrates in highway concrete. Materials Characterization, 137, 2018, 91-108
• 14. Góralczyk S.: Occurrence and assessment of reactive aggregates in Poland. Institute of Mechanized Construction and Rock Mining, Warsaw, 2003
• 15. Bebłacz D., Kamiński P., Młynarczyk Z.: Analiza wybranych właściwości mieszanki betonowej i betonu stosowanego do budowy betonowych nawierzchni drogowych wykonanych w kraju w latach 2001-2004. Badania i analiza trwałości betonu stosowanego do nawierzchni drogowych pod kątem oceny cech użytkowych i trwałościowych. Etap I. IBDiM, Warszawa, 2004
• 16. PN-B-06714-46:1992 Kruszywa mineralne – Badania – Oznaczanie potencjalnej reaktywności alkalicznej metodą szybką
• 17. Jóźwiak-Niedźwiedzka D., Gibas K., Glinicki M.A.: Petrographic identification of reactive minerals in domestic aggregates and their classification according to RILEM and ASTM recommendations. Roads and Bridges - Drogi i Mosty, 16, 3, 2017, 223-239, DOI: 10.7409/rabdim.017.015
• 18. Glinicki M.A.: Methods of qualitative and quantitative assessment of concrete air entrainment. Cement Wapno Beton, 19/81, 6, 2014, 359-369
• 19. Procedura badawcza GDDKiA PB/3/18 – Zalecenia dotyczące analizy petrograficznej kruszywa. GDDKiA Warszawa 2019, https://www.gddkia.gov.pl/pl/1118/dokumenty-techniczne
• 20. Garbacik A., Glinicki M.A., Jóźwiak-Niedźwiedzka D., Adamski G., Gibas K.: Wytyczne techniczne klasyfikacji kruszyw krajowych i zapobiegania reakcji alkalicznej w betonie stosowanym w nawierzchniach dróg i drogowych obiektach inżynierskich. ICiMB i IPPT PAN, Kraków-Warszawa 2019, https://www.gddkia.gov.pl/pl/1118/dokumenty-techniczne
• 21. Glinicki M.A., Litorowicz A.: Crack system evaluation in concrete elements at mesoscale. Bulletin of the Polish Academy of Sciences – Technical Sciences, 54, 4, 2006, 371-379
• 22. ASTM C215-14 Standard test method for fundamental transverse, longitudinal, and torsional resonant frequencies of concrete specimens, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014
• 23. PN-EN 480-11:2008 Admixtures for concrete, mortar and grout. Test methods. Determination of air void characteristics in hardened concrete
• 24. Katayama T.: Chapter 6. Accelerated expansion test: Japan, in: V. Saouma (ed.), Diagnosis and Prognosis of Alkali Aggregate Reactions Affected Structures – State of the art report of the RILEM Technical Committee 259-ISR. Springer International Publishing, 2021, 133-162
• 25. Procedura badawcza GDDKiA PB/2/18 – Instrukcja badania reaktywności kruszyw w temperaturze 38°C według ASTM C1293/RILEM AAR-3. GDDKiA Warszawa 2019, https://www.gddkia.gov.pl/pl/1118/dokumenty-techniczne
• 26. Procedura badawcza GDDKiA PB/1/18 – Instrukcja badania reaktywności kruszyw metodą przyśpieszoną w 1 M roztworze NaOH w temperaturze 80°C. GDDKiA Warszawa 2019, https://www.gddkia.gov.pl/pl/1118/dokumenty-techniczne
• 27. Fernandes I., Ribeiro M.A., Broekmans M.A.T.M., Sims I. (Eds.): Petrographic Atlas: Characterisation of Aggregates Regarding Potential Reactivity to Alkalis. RILEM 2016
• 28. Boehm-Courjault E., Barbotin S., Leemann A., Scrivener K.: Microstructure, crystallinity and composition of alkali-silica reaction products in concrete determined by transmission electron microscopy. Cement and Concrete Research, 130, 2020, 105988
• 29. Owsiak Z.: Microstructure of alkali-silica reaction products in conventional standard and accelerated testing. Ceramics - Silikaty, 47, 3, 2003, 108-115
• 30. Radlinski M., Olek J., Del Mar Arribas M. et al.: Influence of air-void system parameters on freeze-thaw resistance of pavement concrete-lessons learned from field and laboratory observations. Proceedings of the 9th International Conference on Concrete Pavements, San Francisco, 2008, 824-835
• 31. Marks M., Jóźwiak-Niedźwiedzka D., Glinicki M.A., Olek J., Marks M.: Assesment of scaling durability of concrete with CFBC ash by automatic classification rules. Journal of Materials in Civil Engineering, 24, 7, 2012, 860-867
• 32. International Federation for Structural Concrete (fib-Fédération Internationale du Béton), fib Model Code for Concrete Structures. Ernst & Sohn, Berlin, 2010
• 33. Gholizadeh-Vayghan A., Rajabipour F.: The influence of alkali-silica reaction (ASR) gel composition on its hydrophilic properties and free swelling in contact with water vapour. Cement and Concrete Research, 94, 2017, 49-583, DOI: 10.1016/j.cemconres.2017.01.006
• 34. Poole A.B.: Introduction, chemistry and mechanisms, in: I. Sims, A.B. Poole (eds.), Alkali-Aggregate Reaction in Concrete: A World Review. CRC Press, London 2017, 1-31
• 35. Šachlová Š., Kuchaová A., Pertold Z., Přikryl R.: Microscopic and chemical characterisation of ASR induced by quartz-rich aggregates. 15th Euroseminar on Microscopy Applied to Building Materials, 16-19 June 2014, Delft, 1-10
• 36. Šachlová Š., Kuchaová A., Přikryl R., Pertold Z., Nekvasilová Z.: Factors affecting ASR potential of quartzite from a single quarry (Bohemian Massif, Czech Republic). Conference: 12th SGA Biennial Meeting, 12-15 August 2013, Uppsala, Sweden, Proceedings “Mineral deposit research for a high-tech world”, vol. 4, 1833-1836, DOI: 10.13140/2.1.4690.6561
• 37. Castro N., Wigum B.J.: Assessment of the potential alkali-reactivity of aggregates for concrete by image analysis petrography. Cement and Concrete Research, 42, 2012, 1635-1644
• 38. Breitenbücher R., Sievering C.: Risse in Betonfahrbahndecken – Das Resultat aus Überlagerungen verschiedener, in: R. Nothnagel and H. Twelmeier (eds.), Baustoff und Konstruktion. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013, 177-188; DOI: 10.1007/978-3-642-29573-7_19
• 39. Giebson C., Voland K., Ludwig H.M., Meng B.: Alkali-silica reaction performance testing of concrete considering external alkalis and pre-existing microcracks. Structural Concrete, 18, 4, 2017, 1-11, DOI: 10.1002/suco.201600173
• 40. Gong F., Takahashi Y., Segawa I., Maekawa K.: Mechanical properties of concrete with smeared cracking by alkali-silica reaction and freeze-thaw cycles. Cement and Concrete Composites, 111, 2020, 103623, DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2020.103623
• 41. Borchers I.: Recommendation of RILEM TC 258-AAA: RILEM AAR-12: determination of binder combinations for non-reactive mix design or the resistance to alkali-silica reaction of concrete mixes using concrete prisms – 60°C test method with alkali supply. Materials and Structures, 54, 6, 2021, article no. 202
• 42. Böhm M., Eickschen E., Hermerschmidt W., Müller C., Pierkes R.: Beurteilung von Betonfahrbahndecken hinsichtlich deren in-situ AKR-Potenzial bei Gesteinskörnungen nach dem ARS Nr. 04/2013, Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen. Straßenbau, Heft S162, 2021

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).