Przyczyny powstania uszkodzeń nawierzchni z betonu cementowego

TECHNOLOGIE
Przyczyny powstania
uszkodzeń nawierzchni
z betonu cementowego
« W NINIEJSZYM ARTYKULE PODJĘTO PRÓBĘ WYJAŚNIENIA
PRZYCZYN WYSTĘPOWANIA TYPOWYCH USZKODZEŃ
NAWIERZCHNI BETONOWYCH PASÓW STARTOWYCH,
PŁYT POSTOJOWYCH ORAZ DRÓG KOŁOWANIA SAMOLOTÓW.
Jerzy Wojtawicki
Wykonawca nawierzchni lotniskowych już na starcie styka się z wieloma
problemami technicznymi, które mają zasadniczy wpływ na jakość nawierzchni.
w poprzek płyty betonowej, stanowią dużą część wszystkich spękań obserwowanych na płytach lotniska.
Drugim, bardzo ważnym czynnikiem wpływającym na trwałość nawierzchni po jej wykonaniu jest jakość kruszyw tworzących stos okruchowy mieszanki betonowej. Nawierzchnia betonowa podczas eksploatacji ulega ustawicz-
« Uszkodzenia będące następstwem doboru
nemu ścieraniu. Postęp tego procesu zależny jest od intensywności eksplo-
niewłaściwych materiałów wchodzących
w skład projektowanej mieszanki betonowej
atacji oraz od jakości materiałów wchodzących w skład betonu.
W pierwszym etapie pracy nawierzchni procesy ścierania dotykają zapra-
Podstawowy problem dla wykonawcy w czasie prowadzenia robót na-
wę zlokalizowaną na jej powierzchni, dlatego piasek wchodzący w jej skład
wierzchniowych na lotnisku wyłania się już z zapisów zawartych w obowiązują-
powinien charakteryzować się stosunkowo niską ścieralnością. Doświadcze-
cej polskiej normie – „Drogowe i lotniskowe nawierzchnie z betonu cementowe-
nia wykonawcze wykazują, że stosunkowo najmniejszej degradacji eksplo-
go”. Norma PN/S-96 015 została wprowadzona do użytku w 1975 roku. Obec-
atacyjnej ulegają piaski wyprodukowane ze skał magmowych wylewnych
nie większość zawartych w niej zapisów jest już nieaktualna. W lipcu 1999 roku
i metamorficznych (bazalty i kwarcyty). Dobre efekty daje też zastosowanie
wprowadzono do użytku normę PN-V-83 002 „Lotniskowe nawierzchnie z beto-
płukanych piasków naturalnych, składających się przeważnie z krzemionki
nu cementowego”, która miała być uzupełnieniem istniejącej normy.
lub kwarcu. Po starciu zaprawy, w kolejnym etapie pracy nawierzchni, odsło-
Z zapisów zawartych w normach przytoczonych powyżej wynika, że
nięte kruszywo stosu okruchowego przejmuje na siebie oddziaływanie sił ści-
beton przeznaczony na nawierzchnie lotniskowe może być wyproduko-
nających i ssących, występujących w wyniku nacisku i obrotu pneumatyków
wany wyłącznie na bazie cementu portlandzkiego CEM I 42,5. Wysokie
kołujących bądź startujących samolotów. Siły te powodują wyrywanie grysów
ciepło hydratacji cementu klasy 42,5, zwłaszcza w sytuacji, gdy roboty
z betonu, jak również ścieranie ich powierzchni. Z niezrozumiałych względów
nawierzchniowe na lotnisku wykonywane są w warunkach podwyższonej
w normie zawarte jest zalecenie, aby do produkcji betonu nawierzchni lotni-
temperatury otoczenia (latem), stwarza duże ryzyko powstania spękań
skowych używać grysów granitowych. Grysy te charakteryzują się stosunko-
w masywnej, grubej płycie betonowej. Spękania takie, przebiegające
wo dużą ścieralnością, co w znaczący sposób wpływa na późniejszą trwa-
1
12
«
LOTNISKO
2
TECHNOLOGIE
łość nawierzchni. Dlatego podstawowym czynnikiem kwalifikującym zastoso-
przewilgocone grunty tracą nośność w wyniku osiadania oraz osuwania się
wanie grysu do betonu nawierzchni lotniskowych powinna być jego odpor-
pod obciążeniem. W okresie zimowym istnieje niebezpieczeństwo powstania
ność na ścieranie oraz polerowanie.
wysadzin w gruncie podłoża, powodujące nierównomierne unoszenie się
płyt nawierzchni, skutkujące jej załamaniem pod własnym ciężarem bądź
« Uszkodzenia będące następstwem eksploatacji
nawierzchni betonowej lotnisk
Wykonana nawierzchnia betonowa narażona jest na działanie czynników
eksploatacyjnych, z których zasadniczym jest oddziaływanie nadmiernego
pod naciskiem, jakim podlega ona podczas eksploatacji.
« Uszkodzenia będące następstwem obciążeń
termicznych
obciążenia kołami ciężkich samolotów. Czynnik ten powoduje głębokie pęk-
Płyta nawierzchni lotniska musi wytrzymywać obciążenia statyczne i dy-
nięcia płyty nawierzchni, szczególnie w sytuacji, gdy wytrzymałość całej kon-
namiczne od poruszających się po niej samolotów oraz obciążenia termicz-
strukcji nawierzchni (w tym także warstwy nawierzchni betonu) jest zbyt ni-
ne: wymuszone – pochodzące od strumienia gorących gazów spalinowych
ska, a nacisk osi pojazdu jest zbyt wysoki od przewidzianego na etapie prac
emitowanych z dysz samolotów, i naturalne – będące wynikiem zmian warun-
projektowych. Czynnikiem osłabiającym beton nawierzchni jest jego zmę-
ków atmosferycznych – podlegające cyklicznym działaniom (zmiany dobowe
czenie spowodowane powtarzalnością ruchu (z reguły pojazdy na lotnisku
i roczne).
poruszają się jednym torem) oraz związane z tym obniżenie nośności pod-
Degradacji ulega również warstwa powierzchniowa płyty na skutek niszczącego działania czynników atmosferycznych (mróz i woda). Efektem tego
budowy.
Efektem długotrwałej eksploatacji nawierzchni lotniska jest jej postępują-
działania jest przypowierzchniowe złuszczenie nawierzchni betonowej. Wy-
ca degradacja, objawiająca się spękaniami powstałymi w pierwszej kolejno-
stępuje ono w partiach nawierzchni układanych często w warunkach niskich
ści na krawędziach płyt oraz w ich narożach. Obserwowane są również pęk-
temperatur. Jest to typowe uszkodzenie, będące wynikiem działania czynni-
nięcia podłużne biegnące przez środek płyty. Pęknięcie podłużne niepodda-
ków klimatycznych. Tego rodzaju uszkodzenia wraz z upływem czasu po-
ne w porę zabiegom konserwacyjnym przechodzi w spękanie siatkowe, roz-
większają się i zwiększają głębokość korozji. Pierwotną formą ich występo-
wijające się z pęknięcia głównego, które praktycznie eliminuje płytę z dalszej
wania jest pojawienie się na płytach betonowych blaszek o głębokości od
eksploatacji. Występujące często głębokie spękania naroży płyt są efektem
1 mm do 3 mm. Pozostawienie uszkodzeń bez naprawy prowadzi do pogłę-
występujących tam największych naprężeń od przyłożonego obciążenia.
bienia i rozszerzenia się zjawiska. W zależności od jakości wykonanego be-
Rozkład naprężeń w płycie powoduje, że spękania tego typu pojawiają się
tonu i intensywności działania czynników zewnętrznych, w okresie dwóch lub
na górnej powierzchni płyty i postępują stopniowo w głąb, w przeciwieństwie
trzech lat od momentu ich wystąpienia, przekształcają się one w głębokie
do spękań krawędzi, które pojawiają się w dolnej części płyty, postępując
złuszczenia z ubytkiem tworzywa nawet do 2–3 cm.
Złuszczenia powierzchniowe mają zazwyczaj warstwowy układ, blaszko-
w górę.
Większość obserwowanych spękań płyt nawierzchni spowodowana jest
waty lub odsłaniający w sposób wyraźny poszczególne nieuszkodzone ziar-
kombinacją oddziaływania obu tych czynników – zbyt szybkiego skurczu be-
na kruszywa. W pewnych przypadkach przypominają wżery przypowierzch-
tonu, powstałego w wyniku procesu wiązania cementu, oraz zbyt dużych
niowe. Ten rodzaj uszkodzeń nawierzchni jest bardzo trudny do usunięcia
naprężeń powstałych w wyniku nadmiernego obciążenia płyty podczas eks-
i najbardziej groźny w skutkach w procesie eksploatacji nawierzchni. Techno-
ploatacji.
logie napraw wymagają niezwykłej staranności w przygotowaniu miejsc
przeznaczonych do naprawy oraz w wykonaniu robót, a także zastosowania
materiałów o wyjątkowo wysokich parametrach.
« Uszkodzenia będące następstwem degradacji
Najbardziej prawdopodobną przyczyną powstania złuszczeń nawierzchni
warstw podbudowy
jest niska jakość betonu użytego do jej wykonania. Zjawisko to przyspiesza-
Czynnikiem powodującym w tym przypadku największe zagrożenie jest
ją i potęgują:
woda, która wnika w konstrukcję nawierzchni (np. poprzez szczeliny dylata-
« czynniki atmosferyczne – wilgotność powietrza i zmiany temperatury
cyjne). Powoduje ona osłabienie nośności podbudowy i podłoża, ponieważ
(szczególnie liczba przejść przez zero);
3
4
LOTNISKO
»
13
TECHNOLOGIE
7
« zawilgocenie nawierzchni;
« odladzanie nawierzchni środkami chemicznymi.
« Przykłady uszkodzeń zaobserwowane
na nawierzchniach lotniskowych
W roku 2007 przeprowadzono obserwacje i poddano inwentaryzacji uszkodzenia występujące na nawierzchni betonowej wykonywanej w 2005 r. Zastosowano beton klasy B35 według recept od dwóch niezależnych dostawców.
W trakcie przeprowadzonej wizji lokalnej stwierdzono generalnie 2 typy
uszkodzeń występujące na płytach betonu nawierzchniowego:
– uszkodzenia powierzchniowe,
– uszkodzenia strukturalne nawierzchni betonowej.
« Uszkodzenia powierzchniowe
« Lejki zaobserwowane na powierzchni płyty
Należy prowadzić regularną kontrolę materiału wsadowego i eliminować
Przyczyną powstawania tych uszkodzeń jest prawdopodobnie zapylenie
kruszywa (w skład recept na beton nawierzchniowy polskich lotnisk przeważnie wchodzi płukany grys granitowy, który często ulega wtórnemu zapyleniu
partie, w których stwierdzono występowanie zanieczyszczeń.
« Kratery z białymi wykwitami na zewnątrz (zdjęcie 2.)
Uszkodzenia tego typu spowodowane są używaniem do transportu kruszywa samochodów z aluminiowymi skrzyniami. Kratery powstają na skutek
podczas transportu).
Należy prowadzić regularne badania zapylenia kruszywa i eliminować par-
wydzielania się wodoru w reakcji aluminium z cementem.
Należy wyeliminować środki transportowe ze skrzyniami aluminiowymi.
tie o zapyleniu przekraczającym 3% wag.
« Drobne kawerny (zdjęcie 1.)
« Złuszczenia powierzchniowe (zdjęcie 3.)
Obecność tych uszkodzeń może być spowodowana obecnością drobnych zanieczyszczeń (grudek gliny) w piasku bądź „porami” powietrza powstałymi wskutek nieodpowiedniego napowietrzenia betonu.
Powstają wskutek ręcznego wykańczania nawierzchni w sytuacji, gdy
w warstwie powierzchniowej płyty rozpoczął się proces wiązania.
Wykończenie nawierzchni należy wykonać przed rozpoczęciem procesu
wiązania cementu.
5
« Siatka włosowatych spękań powierzchniowych (zdjęcie 4.)
Uszkodzenie to powstaje wskutek szybkiego odparowania wody w warstwie
przypowierzchniowej (układanie betonu w warunkach wysokich temperatur, niedostateczna pielęgnacja). Przyczyną tego typu uszkodzeń mogą być również
drgania przejeżdżających pojazdów (ruch technologiczny na budowie).
Należy unikać wbudowywania mieszanki betonowej podczas wysokich
temperatur, prowadzić dokładną pielęgnację wykonanej nawierzchni.
« Uszkodzenia strukturalne
« Pęknięcia płyt w narożach (zdjęcie nr 5.)
Pęknięcia takie mogą zostać spowodowane przeciążeniem od ruchu kołowego w miejscach wadliwego podparcia (nierówność podbudowy). Drugą
przyczyną powstawania tego zjawiska są naprężenia termiczne, powodujące unoszenie się płyty pod wpływem wysokiej temperatury. Głębokie pęknię-
6
cia naroży powodują ich klawiszowanie, a w konsekwencji powstanie niebezpiecznego dla ruchu kołowego progu o wysokości 2–3 cm.
« Niekontrolowane głębokie pęknięcia poprzeczne płyty (zdjęcie 6.)
Pod wpływem różnicy temperatur płyta nawierzchni ulega spaczeniu,
a następnie pod wpływem ciężaru własnego i obciążenia ruchem pęka, tworząc niekontrolowane „dzikie” rysy. Jeżeli tych rys nie wypełni się w odpowiednim czasie materiałem uszczelniającym, to woda penetrująca w niżej
położone warstwy konstrukcyjne nawierzchni spowoduje ich zniszczenie.
« Deformacja szczelin dylatacyjnych, progi między krawędziami płyt sąsiadujących (zdjęcie 7.)
Deformacja spowodowana jest zanieczyszczeniem szczeliny oraz erozją
w podbudowie. Często zaobserwować można miejsca, gdzie masa zalewowa została wysadzona z powodu naporu wypychanej wody. Tego typu
uszkodzenia powstają prawdopodobnie na skutek działania sił spowodowanych ruchem kołowym, wywołującym naprężenia na granicy płyt.
14
«
LOTNISKO
TECHNOLOGIE
9
Należy wyciąć zniszczoną masę zalewową oraz uszczelnienie w postaci
kordu pod masą, oczyścić krawędzie szczeliny za pomocą sprężonego powietrza. Następnie po zagruntowaniu krawędzi bocznych szczeliny wymienić
kord i masę zalewową.
« Wykruszenia krawędzi płyty (zdjęcie 8.)
Jest to typowy błąd wykonawczy, spowodowany zbyt wczesnym nacinaniem dylatacji, w sytuacji, gdy beton nie związał dostatecznie mocno.
W zależności od stanu uszkodzonej części płyty, należy wykonać uszczelnienie bądź całkowicie usunąć odpękniętą część płyty.
« Osiadanie i klawiszowanie płyt (zdjęcie 9.)
Spowodowane jest postępującą w trakcie eksploatacji degradacją podbudowy (wypłukiwanie przez wody opadowe oraz przesuwanie się drobnego
materiału zawartego w podbudowie).
« Głęboka degradacja wgłębna płyt (zdjęcie 10.)
Jest to jedno z poważniejszych uszkodzeń, spowodowane zbyt późnym
wbudowaniem betonu, w którym rozpoczął się już proces wiązania. Beton na
10
budowę dostarczony został zbyt późno (opóźnienie w transporcie, oczekiwanie na wbudowanie). Często próbuje się poprawić konsystencję betonu poprzez dodawanie do niego wody na budowie. Proceder ten narusza stosunek wodno-cementowy i powoduje drastyczny spadek wytrzymałości betonu, a w konsekwencji głęboką degradację wgłębną.
« Złuszczenie nawierzchni będące wynikiem powstania naprężeń termicz nych.
Jeżeli przyjąć, że recepta na beton nawierzchniowy została sporządzona
w prawidłowy sposób, to przyczyn wystąpienia tego typu uszkodzeń należy
upatrywać w błędach wykonawczych.
Główne z nich to:
– spadek konsystencji mieszanki betonowej ze względu na wydłużony czas
jej transportu z betoniarni na miejsce wbudowania. Często stosowaną metodą przywracania wymaganej konsystencji mieszanki betonowej jest dolewanie do niej wody zamiast plastyfikatora;
– „poprawa” urabialności mieszanki w czasie jej zacierania poprzez obfite
je się mniej nasiąkliwy, bardziej mrozoodporny i zwiększa się jego trwałość.
skrapianie wodą obrabianej powierzchni płyt betonowych.
Złuszczenia głębsze niż 3 mm likwiduje się poprzez ułożenie w tych miej-
W obu przypadkach używanie wody do poprawy konsystencji mieszanki
scach zaprawy lub betonu epoksydowego.
betonowej prowadzi do obniżenia wskaźnika w/c, co w konsekwencji powoduje miejscowe obniżenie wytrzymałości betonu i wystąpienie złuszczeń nawierzchni.
Stosunkowo mało kłopotliwą metodą naprawy jest śrutowanie zniszczonej
nawierzchni i pokrycie jej środkiem hydrofobowym.
W artykule tym przedstawiono tylko ogólną propozycję likwidacji uszko-
Usunięcie złuszczeń betonu jest trudne, pracochłonne i kosztowne. Na-
dzeń nawierzchni z betonu cementowego. Naprawa nawierzchni betono-
prawa powierzchni złuszczonych zależna jest od ich głębokości. Złuszczenia
wych jest zazwyczaj bardzo kosztowna i czasochłonna – wymaga wyłącze-
o głębokości do 3 mm można zlikwidować, używając kompozycji nasączają-
nia z ruchu na dłuższy okres naprawianych nawierzchni.
cej, która ogranicza penetrację wód opadowych i ich roztworów w strukturę
Szczegółowa propozycja naprawy nawierzchni betonowej powinna być
betonu. Działanie jej polega na zamknięciu powierzchni, przez co beton sta-
poprzedzona bardzo dokładną inwentaryzacją uszkodzeń. Dopiero po zinwentaryzowaniu i sklasyfikowaniu poszczególnych rodzajów uszkodzeń mo-
8
że zostać zaproponowana technologia naprawy. Niestety, nie wszystkie
uszkodzenia można naprawić. Niektóre uszkodzone płyty betonowe należy
sfrezować (wyburzyć) i zastąpić nowymi.
Dlatego, aby wykonać dobrą nawierzchnię betonową, bardzo ważne jest
przestrzeganie wszelkich reżimów technologicznych oraz stosowanie bardzo
dobrych, sprawdzonych jakościowo materiałów.
Literatura:
Antoni Szydło „Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego”.
Piotr Nita „Budowa i utrzymanie nawierzchni lotniskowych”.
Krzysztof Smukalski, Marek Stańczyk, „Doświadczenia krajowe firmy Heilit +Woerner
Sp. z o.o. w betonowym budownictwie drogowym”.
PN-75/S-960l5.
PN-V-83 002.
Politechnika Wrocławska „Niszczenie nawierzchni drogowych”.
Jerzy Wojtawicki
Budimex Dromex SA
LOTNISKO
»
15