Budownictwo podziemne  TEMAT WYDANIA
prof. dr hab. in\
. Lech Czarnecki*
mgr in\
. Tomasz Piotrowski*
Trwałość \
elbetowych
pali fundamentowych
rwałość rozumiana jest jako za-
przygotowanie
monta\
koszyka zbrojeniowego
zbrojenia pali
chowanie  w przyjętym okre-
sie u\
ytkowania  zdolności
Tdo u\
ytkowania obiektu. Inny-
mi słowy jest to zapewnienie u\
ytko-
walności obiektu w przewidywanym
okresie u\
ytkowania i zakładanych
warunkach u\
ytkowania. Norma
PN-EN 206-1:2003 określa okres
u\
ytkowania jako okres, w którym stan
pielęgnacja prefabrykatu
betonowanie
betonu w konstrukcji odpowiada wy-
prefabrykatu pala
maganiom eksploatacyjnym, dotyczÄ…-
cym tej konstrukcji, pod warunkiem,
\
e jest ona właściwie u\
ytkowana.
Trwałość pali fundamentowych jest
szczególnie istotna, zwa\
ywszy
na istotność ich funkcji w konstrukcji
oraz trudnonaprawialność i w zasa-
dzie niewymienialność. Pojęcie trwa-
łości pali nale\
y więc traktować sze-
podnoszenie pala z formy
magazyn gotowych
rzej, włączając do rozwa\
ań odpor-
pali prefabrykowanych
ność, a dokładniej potencjał nieza-
wodności (robustness). Oznacza to,
\
e element powinien zapewnić (bądz

tylko nieznacznie ograniczyć) stan
u\
ytkowania, tak\
e w przypadku
zmiany warunków u\
ytkowalności
obiektu, a ewentualne skutki destruk-
cji nie powinny występować w stopniu
Fot. 1. Fazy wytwarzania prefabrykowanych pali \
elbetowych [Aarsleff Sp. z o.o.]
nieproporcjonalnym do przyczyn.
nasiąkliwości d" 5% oraz stop-
środowisko
niu mrozoodporności F150 zgodnie
gruntowe
Charakterystyka \
elbetowych
z PN-EN 2061:2003.
pali fundamentowych
Åšrodowiskiem u\
ytkowania pali
Zgodnie z normą PN-B-02481:1998 mogą być nie tylko grunty lub
pal jest to smukły element kon- grunty i wody gruntowe, ale do-
strukcyjny o du\
ym zagłębieniu, datkowo tak\
e cieki i akweny
przenoszÄ…cy obciÄ…\
enia z kon- wodne oraz w górnej części pala
strukcji na głęboko zalegające war- powietrze atmosferyczne (fotogra-
stwy podło\
a gruntowego przez fia 2).
podstawÄ™ (ostrze) i/lub powierzch-
środowisko środowisko
niÄ™ bocznÄ….
wodne atmosferyczne
Pale \
elbetowe produkowane sÄ… ja-
ko elementy prefabrykowane w wy-
twórni (fotografia 1), następnie trans-
portowane na miejsce wbudowania
oraz wbijane za pomocą ró\
nej wiel-
kości kafarów. Z reguły wykonywane
są z betonu klasy wytrzymałości
C40/50 o stopniu wodoszczelności W8,
* Politechnika Warszawska Fot. 2. Przykład u\
ytkowania \
elbetowych pali fundamentowych
2  2008 (nr 426)
45
TEMAT WYDANIA  Budownictwo podziemne
Pale fundamentowe mo\
na podzie- jemnej proporcji, np. niewypełnione ja- bezpośrednie i pośrednie określa
lić na: przemieszczeniowe i wiercone my międzyziarnowe czy te\
pory pow- PN-B-03264: 2002:
z usuwaniem urobku. Pale prze- stałe po odparowaniu wody. Wszystkie  oddziaływania bezpośrednie
mieszczeniowe mogą być formowane te elementy ujmuje technologia proce- (obcią\
enia)  siły przyło\
one bez-
w gruncie lub być umieszczane w pod- su wytwarzania, na którą składa się: pośrednio do konstrukcji, wywołują-
Å‚o\
u jako gotowe elementy wytwarza- receptura, dozowanie, wymieszanie, ce naprÄ™\
enia w elementach kon-
ne z drewna, stali oraz betonu, a właś- transport, układanie i zagęszczanie strukcji;
ciwie \
elbetu (rysunek 1). oraz pielęgnacja młodego betonu  oddziaływania pośrednie  od-
przed wbudowaniem. kształcenia elementów konstrukcji wy-
W przypadku właściwie dobranych muszone przez więzy łączące je z in-
jakościowo składników betonu norma nymi elementami lub podło\
em grun-
PN-EN 206-1:2003 wyró\
nia trzy spo- towym, np. wywołane nierównomier-
soby zapewnienia trwałości w zale\
- nym osiadaniem podpór, skurczem
ności od oddziaływań środowisko- i pełzaniem betonu, zmianami tempe-
wych (dostosowanie do klasy ekspo- ratury itp.
zycji), przez: Norma materiałowa  betonowa
zmianę współczynnika w/c  im PN-EN 206-1:2003 przewiduje nato-
Rys. 1. Przegląd pali fundamentowych większe zagro\
enie, tym mniejsza za- miast z zało\
enia co najmniej 50-letniÄ…
lecana wartość w/c; trwałość materiału w przewidywanych
zmianę minimalnej zawartości ce- warunkach u\
ytkowania.
Zapewnienie trwałości
mentu, c  im większe zagro\
enie, AnalizujÄ…c potencjalne przyczyny
min
Zgodnie z normą PN-EN 206-1:2003 tym zalecana wartość c większa; destrukcji, nale\
y zauwa\
yć, \
e w wa-
min
zapewnienie trwałości elementów z be- właściwy dobór klasy wytrzymałoś- runkach u\
ytkowania pala zagłębione-
tonu powinno następować przez: ana- ci  im większe zagro\
enia, tym klasa go w gruncie podlegajÄ… one korzyst-
lizę warunków środowiskowych, dobór wy\
sza; w przypadku zagro\
enia koro- nym ograniczeniom. Poprawnie wyko-
klasy ekspozycji reprezentujÄ…cej te wa- zjÄ… mrozowÄ… (klasy XF) norma dodat- nany i wbudowany pal jest przewa\
nie
runki, a w efekcie dobór składu betonu kowo zaleca pewnego minimum napo- u\
ytkowany w warunkach ściskania,
odpowiadającego wybranej klasie eks- wietrzenia betonu i zastosowanie mro- a więc ewentualne rysy ulegają zam-
pozycji. Dobór klasy ekspozycji odpo- zoodpornego kruszywa, a w przypad- knięciu, w mniej korzystnym przypad-
wiadajÄ…cy przewidywanym warunkom ku korozji chemicznej (klasa XA2 ku mo\
e wystąpić ściskanie mimośro-
w miejscu stosowania betonu jest za- i XA3) zastosowanie cementów siar- dowe  z mo\
liwością zarysowania.
tem decyzją technicznie rozstrzygają- czanoodpornych (HSR). W przypadku pali głęboko zagłębio-
cą o powodzeniu przedsięwzięcia i ob- Do wymienionych wymagań norma nych w gruncie, tj. poni\
ej głębokości
darzoną stosowną odpowiedzialnoś- PN-B-03264:2002 dodaje maksymal- przemarzania gruntu nie występuje
ciÄ…. SytuacjÄ™ komplikuje fakt, \
e wa- ną szerokość rys oraz minimalną gru- tak\
e zagro\
enie korozjÄ… mrozowÄ…, na-
runki środowiskowe, w których będzie bość otulenia prętów zbrojeniowych tomiast w odniesieniu do pali częścio-
stosowany beton, mogą wymagać okreś- (tabela 1). wo zagłębionych u\
ycie betonu o stop-
lenia za pomocą kombinacji kilku klas niu mrozoodporności F150 i nasiąkli-
ekspozycji. Norma nie precyzuje wów- wości poni\
ej 5% stanowi z reguły wy-
Potencjalne mechanizmy
czas sposobu dobrania rozwiązania starczającą ochronę. Odmiennie rów-
destrukcji
materiałowego, tzn. zalecanych ograni- nie\
przedstawia się podatność pali
czeń składu i właściwości betonu. Na- W porównaniu z innymi rozwiąza- na karbonatyzację. W warstwie gruntu
le\
y zało\
yć, i\
w takim przypadku niami materiałowymi (drewno, stal) grubości do 20 cm zawartość CO2
właściwe jest  z uwagi na mo\
liwość \
elbetowe pale fundamentowe majÄ… w powietrzu glebowym wynosi < 0,2%,
współdziałania ró\
nych oddziaływań największy potencjał modyfikacyj- na głębokości 1 m dochodzi do 0,6%,
(negatywne efekty synergistyczne) ny umo\
liwiajÄ…cy zapewnienie trwa- a w warstwach le\
ących blisko wód
 przyjęcie rozwiązania materiałowe- łości, ale jednocześnie ich zniszcze- gruntowych szybko wzrasta i dochodzi
go jak dla klasy o stopień wy\
szej nie mo\
e mieć wiele przyczyn. Ogól- do 2,4%. W silnie nawilgotnionych gle-
od najostrzejszej spośród wymaga- nie destrukcja elementu \
elbetowego bach torfowo-glejowych zawartość CO2
nych. mo\
e nastąpić w wyniku uszkodzeń mo\
e wynosić nawet 7%. Nale\
y jednak
Trwałość betonu w środowisku betonu bądz
korozji zbrojenia. Nor- zwrócić uwagę, \
e wraz z głębokością
odpowiadającym danej klasie eks- ma ENV 1504-9: 1996 wyró\
nia che- porowatość powietrzna w gruncie
pozycji zale\
y od: miczne, mechaniczne i fizyczne maleje, poczÄ…wszy od 50% przy po-
" właściwego (jakościowego i iloś- przyczyny uszkodzenia betonu oraz wierzchni. Przy zagłębieniu powy-
ciowego) doboru składników; przyczyny destrukcji zbrojenia w wy- \
ej 1m poni\
ej poziomu gruntu korozja
" ukształtowania odpowiedniej mik- niku karbonatyzacji, ska\
enia che- stali zbrojeniowej jest w znacznym
rostruktury betonu, która jest wynikiem micznego i prądów upływowych (rysu- stopniu ograniczona równie\
ze wzglÄ™-
reakcji chemicznych i procesów fizyko- nek 2). du na utrudniony dostęp odpowied-
chemicznych przebiegających pomię- W kategoriach ogólnych odpor- niej ilości tlenu. Dotyczy to tak\
e pro-
dzy składnikami, ale równie\
ich wza- ność na oddziaływania (mechaniczne) cesów karbonatyzacji betonu spowo-
º%
2  2008 (nr 426)
46
Budownictwo podziemne  TEMAT WYDANIA
Tabela 1. Wymagania wg PN-B-03264:2002 i PN-EN 206-1:2003 oraz przykłady fundamentów palowych odnośnie do betonu
na tle klas ekspozycji z PN-EN 206-1:2003
Przykłady dotyczące pali Wymagania dotyczące betonu ( trwałość 50 lat)
i ich części wg PN-EN 206-1:2003 i PN-B-03264:2002
Opis środowiska maks. min. klasa min. zawartość szerokość otulenie
w/c wytrzymałości cementu rys wlim c + "c*
min
[kg/m3] [mm] [mm]
Brak zagro\
enia agresją środowiska lub zagro\
enia korozjÄ…
X0 środowisko bardzo suche  pal zagłębiony w gruncie powy\
ej
o bardzo niskiej wilgotności wody gruntowej, poni\
ej głębokości
powietrza przemarzania, bez agresji chemicznej  C8/10  0,3 10+5
Korozja spowodowana karbonatyzacjÄ…
XC1 stale zanurzony w wodzie  pal poni\
ej poziomu zwierciadła wo-
dy gruntowej, część pala w akwenach
i ciekach wodnych, np. podpory mostów 0,65 C16/20 260 0,3 15+5
XC2 długotrwały kontakt z woda,  pal zagłębiony w gruncie nara\
ony
najczęściej fundamenty na czasowe długotrwałe zawilgocenie 0,60 C16/20 280 0,3 20+5
XC3 umiarkowanie wilgotne, na  pal nad poziomem gruntu osłonięty
zewnątrz osłonięty przed przed deszczem, np. w otwartych
deszczem halach przemysłowych 0,60 C20/25 280 0,3 20+5
XC4 cyklicznie mokre i suche, po-  pal nad poziomem gruntu/wody
wierzchnie nara\
one na kon-
takt z wodÄ… (z wyj. XC2) - 0,50 C20/25 300 0,3 25+5
Korozja spowodowana chlorkami niepochodzÄ…cymi z wody morskiej
XD1 działanie chlorków z powietrza  pal nad poziomem gruntu nara\
ony
na działanie chlorków z powietrza 0,55 C30/37 300 0,2 40+5
XD2 działanie wody przemysłowej
zaw. chlorki; baseny  nie występuje 0,55 C30/37 300 0,2 40+5
XD3 działanie rozpylonych cieczy  pal nad poziomem gruntu nara\
ony
zaw. chlorki; elementy mostów na działanie chlorków z soli odladzają-
cych (bezp. na drogach) 0,45 C35/45 320 0,2 40+5
Korozja spowodowana chlorkami z wody morskiej
XS1 działanie soli zawartych w po-  pal nad poziomem gruntu w obszarze
wietrzu, na/w pobli\
u wybrze\
a nadmorskim 0,50 C30/37 300 0,2 40+5
XS2 stałe zanurzenie; budowle  pal zanurzony w wodzie morskiej
morskie lub wodzie gruntowej w obszarze
nadmorskim 0,45 C35/45 320 0,2 40+5
XS3 strefy rozbryzgów, pływów  pal/podpora w strefie rozbryzgów,
i aerozoli; budowle morskie np. w portach 0,45 C35/45 340 0,2 40+5
Agresywne oddziaływanie zamra\
ania/rozmra\
ania bez środków odladzających albo ze środkami odladzającymi
XF1 deszcz i zamarzanie bez środ-  pal nad poziomem gruntu nara\
ony wg
ków odladzających; pow. na działanie mrozu, pal w gruncie do wymagań
pionowe głębokości przemarzania 0,55 C30/37 300 0,3 dla XC,
XF2 deszcz, zamarzanie i środki  pal nad poziomem gruntu nara\
ony XD i XS
odladzające; pow. pionowe na działanie mrozu, w okolicy dróg 0,55 C25/30 300 0,2
Zaw.pow.
<4,0%
XF3 deszcz i zamarzanie bez  nie występuje 0,50 C30/37 320 0,3
środków odladzających; pow. Zaw.pow.
poziome <4,0%
XF4 deszcz, zamarzanie i środki  pal/podporwa ponad poziomem 0,45 C30/37 340 0,2
odladzajÄ…ce; pow. poziome, wody w strefie rozbryzgu w budowlach Zaw. pow
strefy rozbryzgu w budowlach morskich <4,0%
morskich
Agresja chemiczna
XA1 mało agresywne  wg odrębnej klasyfikacji: 0,55 C30/37 300 0,2 wg
a) kwasowości gruntu i ska\
enia wymagań
siarczanami dla XC,
XA2 średnio agresywne b) agresywności chemicznej wody 0,50 C30/37 320 0,2 XD i XS
gruntowej
XA3 silnie agresywne 0,45 C35/45 360 0,2
*) wg PN-B-03264:2002 dla trwałości 100 lat nale\
y podaną wartość grubości otulenia zwiększyć dodatkowo o 10 mm
2  2008 (nr 426)
47
dodatkowo kruszywo o odpowiedniej
agresja SO
mrozoodporności wg PN-EN 12620
cement HSR
2-
4
Klasa
ekspozycji
Budownictwo podziemne  TEMAT WYDANIA
nie budzi zastrze\
eń. Nale\
y tak\
e
dodać, i\
zwiększa się liczba donie-
sień ze świata o coraz częściej mają-
cym miejsce powtórnym wykorzysta-
niu wbudowanych ju\
pali  w przy-
padku wznoszenia nowego obiektu
budowlanego w miejsce istniejÄ…cego.
Na tej podstawie mo\
na stwierdzić, \
e
odpowiednio dobrany i poprawnie wy-
konany, a następnie właściwie prze-
transportowany i wbudowany \
elbeto-
wy, prefabrykowany pal fundamento-
wy zagłębiony w gruncie mało agre-
sywnym chemicznie odznacza siÄ™ du-
\
ą trwałością, przekraczającą 50 lat
zgodnie z PN-EN 206-1:2003. Po-
Rys. 2. Potencjalne przyczyny uszkodzeń elementów \
elbetowych
twierdzają to zarówno przeprowa-
dowanych agresywnym CO2 występu-
Tabela 2. Wartości graniczne klas ekspozycji agresji chemicznej gruntów
jÄ…cym w wodzie gruntowej. W wyniku
naturalnych i wody gruntowej wg PN-EN 206-1:2003
karbonatyzacji otulina betonowa traci
Podana ni\
ej klasyfikacja środowisk agresywnych chemicznie dotyczy gruntów naturalnych
właściwości ochronne wobec zbrojenia
i wody gruntowej o temperaturze 5  25 °C oraz przepÅ‚ywie wody dostatecznie maÅ‚ym, aby
stalowego. Ponadto wnikanie CO2 warunki uznać za statyczne.
w beton w warunkach stale mokrych Klasę ekspozycji określa najbardziej niekorzystna wartość dla dowolnej, pojedynczej charak-
terystyki chemicznej.
(wypełnione wodą pory betonu) jest
Gdy dwie lub więcej agresywnych charakterystyk wskazuje na tę samą klasę, środowisko
bardzo powolne. W konsekwencji
nale\
y zakwalifikować do następnej, wy\
szej klasy, chyba \
e specjalne badania tego szcze-
w praktyce beton prawie nie ulega kar- gólnego przypadku wyka\
Ä…, \
e nie jest to konieczne.
bonatyzacji w warunkach powietrzno-
Charakterystyka Powołana XA1 XA2 XA3
-suchych, jak równie\
przy pełnym na- chemiczna metoda badania
syceniu wodÄ…. Proces karbonaty-
Woda gruntowa
zacji nasila się przy wilgotności względ-
SO42- [mg/l] EN 196-2 e" 200 i d" 600 > 600 i d" 3000 > 3000 i d" 6000
nej powietrza 40  70%. Istotne z punk-
pH ISO 4316 d" 6,5 i e" 5,5 < 5,5 i e" 4,5 < 4,5 i e" 4,0
tu widzenia trwałości \
elbetowych
CO2 agresywny
pali fundamentowych jest równie\
od- [mg/l] prEN 13577:1999 e" 15 i d" 40 > 40 i d" 100 >100 i
do nasycenia
działywanie środowiskowe. Zgodnie
z normÄ… PN-EN 206-1:2003 przez od- NH4+ [mg/l] ISO 7150-1 lub
ISO 7150-2 e" 15 i d" 30 > 30 i d" 60 > 60 i d" 100
działywanie środowiska rozumie się
Mg2+ [mg/l] ISO 7980 e" 300 i d" 1000 > 1000 i d" 3000 >3000 i
takie oddziaływania chemiczne i fizycz-
do nasycenia
ne na beton, które wpływają na niego
Grunt
lub jego zbrojenie lub inne znaj-
SO42- całkowite EN 196-2b e" 2000 i > 3000c i > 12000 i
dujÄ…ce siÄ™ w nim elementy meta-
3)
[mg/kga] d" 3000 d" 12000 d" 24000
lowe, a które nie zostały uwzględ-
Kwasowość [ml/kg] DIN 4030-2 > 200 w praktyce nie spotykane
nione w projekcie konstrukcyjnym.
Baumann Gully
Mo\
na więc wnioskować, \
e norma
a
Grunty ilaste o przepuszczalności poni\
ej 10-5 m/s mo\
na zakwalifikować do ni\
szej klasy.
PN-EN 2061:2003 zajmuje siÄ™ odpor-
b
Metoda badania przewiduje ekstrakcjÄ™ SO42- z u\
yciem kwasu chlorowodorowego;
nością na te oddziaływania, które nie
alternatywnie mo\
na zastosować ekstrakcję wodną, je\
eli przeprowadzano ju\
takie
zostały objęte normą  konstrukcyjną
badanie w miejscu zastosowania betonu.
c
Ograniczenie do 3000 mg/kg nale\
y zmniejszyć do 2000 mg/kg w przypadku, gdy istnieje
PN-B 03264:2002.
ryzyko akumulacji jonów siarczanowych w betonie na skutek cyklicznego wysychania
Ze względu na zastosowanie pale
i nawil\
ania lub podciÄ…gania kapilarnego.
fundamentowe nara\
one sÄ… na oddzia-
ływanie środowiska gruntowego. Nor-
ma PN-EN 206-1:2003 rozró\
nia trzy ny pod koniec XIX w. W 1910 r. posa- dzone analizy modelowe, jak i ponad
stopnie agresywności (XA1, XA2 dowienie fundamentów podpór na pa- 100-letnie doświadczenia ze stosowa-
i XA3) gruntu i wód gruntowych w kla- lach \
elbetowych zastosowano pod- nia na świecie.
sie ekspozycji  agresja chemiczna (ta- czas budowy sÄ…siedniego mostu
bela 2). na Sanie w miejscowości Radymno. Podziękowania
W związku z projektowaną moderni- Autorzy dziękują prof. Henrykowi
Podsumowanie
zacjÄ… mostu w 1999 r. przeprowadzo- Zoblowi i dr. Dariuszowi Sobali za owoc-
Jedną z pierwszych realizacji na no odkrywki niektórych pali. Pozwoli- ne dyskusje i firmie Aarsleff Sp. z o.o.
świecie był fundament palowy mostu ło to na stwierdzenie, ze po 90 latach za udostępnienie niektórych danych tech-
na Sanie pod Jarosławiem, zbudowa- u\
ytkowania stan pali \
elbetowych nicznych i fotografii.
2  2008 (nr 426)
49