Możliwie krótkie wyłączenia nawierzchni z użytkowania na czas naprawy, uszkodzenia powstające wkrótce po remoncie, nietrwałe naprawy – oto niektóre z problemów pojawiających się w trakcie eksploatacji płyt lotniskowych.
Nawierzchnie betonowe należą do sztywnych układów konstrukcyjnych, wykorzystywanych w budowie lotnisk, dróg i autostrad oraz posadzek w halach przemysłowych. Stosowane są zwłaszcza tam, gdzie występują duże obciążenia i wymagana jest odporność na odkształcenia trwałe. Nawierzchnie te podlegają ciężkim i bardzo ciężkim klasom obciążenia. Równoczesne działanie obciążenia eksploatacyjnego i niekorzystnych czynników atmosferycznych są powodem powstawania uszkodzeń nawierzchni betonowych.
Nawierzchnie lotniskowe należą do grupy budowli najsilniej obciążonych działaniem cyklicznie zmiennych (dobowo i rocznie) pól termicznych i występujących okresowo wód opadowych (powodujących destrukcję podłoża gruntowego) oraz podlegających statycznym i dynamicznym obciążeniom zmiennym. Te ostatnie pochodzą od lądujących i kołujących statków powietrznych, przekraczających nierzadko masę 200 ton. Pasy startowe, drogi kołowania i płaszczyzny postojowe są pod względem nośności określane klasą PCN, w której podstawą klasyfikacji jest ocena sztywności nawierzchni lotniskowej. Jest ona porównywana z klasą ACN lądującego statku powietrznego, wytwarzającego siły dynamiczne działające na płyty betonowe swobodnie podparte na podłożu sprężystym.
W betonowych nawierzchniach z betonu cementowego odnotowuje się wiele rodzajów uszkodzeń spowodowanych pojedynczymi lub złożonymi przyczynami. Wiele z nich ma charakter i uwarunkowania wystąpienia podobne do tych, jakie spotykane są na nawierzchniach drogowych i posadzkach. Ze względu na obszerność zagadnienia, opisywanego w wielu publikacjach, ograniczono się do zaprezentowania i skomentowania jedynie wybranych rodzajów uszkodzeń oraz przyczyn ich powstania, stwarzających zagrożenie dla bezpieczeństwa ruchu lotniczego.
Fot. 1. Występujące na krawędzi płyty lotniskowej wykruszone (luźne) fragmenty betonu – a) i uskok – b)
Fot. 2. Koncentracja naprężeń: a) wpływ temperatury montażu, b) rozłupana płyta, c) analiza numeryczna docisku, d) odłupany narożnik pod wpływem docisku, e) wykruszenie narożników sklejonych żywicą [1]
Budowa i uwarunkowania eksploatacyjne nawierzchni betonowych
Do najbardziej popularnych betonowych nawierzchni lotniskowych wykonywanych w Polsce należą układy dwuwarstwowe z warstwą poślizgową, wykonywane jako płyta ciągła z nacięciami skurczowymi (JPCP – Jointed Plain Concrete Pavements). Nacięcia te wykonuje się w świeżo ułożonym betonie na szerokość 5–10 mm i na głębokość kilku centymetrów, najczęściej w module 5 x 5 m. W wyniku skurczu betonu dochodzi do pęknięcia płyty ciągłej na regularny układ płyt pojedynczych, pracujących jako swobodnie podparte na podłożu sprężystym. Dalszy skurcz powoduje rozwarcie się nowo utworzonych pęknięć do poziomu ok. 3 mm (przy module nacięcia 5 x 5 m). Powstałe pomiędzy płytami szczeliny uszczelnia się, aby zabezpieczyć konstrukcję i jej podbudowę przed penetracją wody opadowej i środków chemicznych ochrony lotnisk, których działanie powoduje destrukcję podłoża. Typowym stosowanym materiałem uszczelniającym są masy bitumiczne.
Prawidłowo zaprojektowana i wykonana nawierzchnia betonowa nie powinna ulegać przedwczesnym uszkodzeniom, jednak jak pokazują obserwacje, występowanie uszkodzeń na nawierzchniach lotniskowych w Polsce jest zjawiskiem powszechnym. W większości przypadków za ich powstanie odpowiada nałożenie się działań destrukcyjnych. Z jednej strony jednoczesne efekty działania negatywnych czynników nie zawsze są uwzględnione w pracach projektowych, ale z drugiej – w znaczącej liczbie przypadków powstanie uszkodzeń wynika z błędów wykonawczych (technologicznych) lub eksploatacyjnych.
Przy uszkodzonych nawierzchniach lotniskowych do standardowo realizowanych zadań służb technicznych zabezpieczenia lotniska (odśnieżanie, odladzanie) dochodzi dodatkowo usuwanie skutków pęknięć w postaci wykruszonych fragmentów betonu (fot. 1a). Fragmenty te stanowią bezpośrednie zagrożenie dla statków powietrznych, gdyż zassanie ich do silnika samolotu może spowodować katastrofę lotniczą lub w najlepszym razie kosztowną naprawę. Innym zagrożeniem są uskoki przekraczające kilkanaście milimetrów wysokości, występujące na krawędziach szczelin dylatacyjnych lub w miejscu pęknięcia. Powstają one w wyniku klawiszowania sąsiednich płyt lub ich uszkodzonych fragmentów, a utworzone progi o wysokości 2–3 cm powodują powstanie niebezpieczeństwa dla ruchu kołowego (fot. 1b) i dlatego muszą być eliminowane z powierzchni nawierzchni lotniskowej. Przedstawione przykłady uszkodzeń nie powstają w sposób nagły, lecz są pochodną działania procesów destrukcyjnych rozłożonych w czasie, których mechanizm jest najczęściej złożony.
Fot. 3. Kolejne fazy uszkodzenia płyty betonowej poddanej cyklicznie zmiennym obciążeniom
Rys. 1. Zmiany przemieszczeń pionowych pojedynczej płyty betonowej nawierzchni lotniskowej (5 x 5 m), zaobserwowane w pomiarze dobowym [1]
Skutki oddziaływania koncentracji naprężeń
Jedną z najczęstszych przyczyn występowania uszkodzeń w płytach betonowych jest występowanie efektu koncentracji naprężenia w skali makro. Z reguły występuje on tam, gdzie w nawierzchniach lotniskowych dochodzi do punktowego docisku sąsiednich elementów betonowych. Naprężenia ściskające skupione w jednym punkcie osiągają wartości przekraczające wytrzymałość betonu, prowadząc tym samym do rozłupania płyty na dwie części (fot. 2b) lub do odłupania jej fragmentu (fot. 2d i e). Koncentracje naprężeń lokalizują się najczęściej w narożach płyt (fot. 2c). Wzajemny docisk płyt wywołany jest głównie rozszerzaniem płyt betonowych pod wpływem jednoczesnego działania równomiernego i nierównomiernego ogrzewania, które powoduje zamknięcie się szczeliny dylatacyjnej (w warunkach polskich często wykonanej w temperaturze znacząco niższej od projektowanej ze względu na długi cykl przetargowy i opóźnienie prac) – fot. 2a.
Wygenerowana tym samym na górnej krawędzi płyt siła pozioma (działająca na mimośrodzie) wprowadza w płytach dodatkowe momenty zginające (fot. 2a). Zdarza się także, że powodem zamknięcia szczeliny dylatacyjnej jest wypełniający ją materiał obcy, pochodzący z wykruszonych krawędzi płyt (fot. 1a i 2b) lub niewłaściwa naprawa – wypełnienia dylatacji żywicą epoksydową podczas renowacji nawierzchni (fot. 2e).
Fot. 4. Uszkodzenia pasa startowego: a) pęknięcie narożnika płyty, b) pęknięcie płyty w poprzek
Praca płyt betonowych pod obciążeniem termicznym i eksploatacyjnym
Płyty betonowe nawierzchni lotniskowych poddane są działaniu zmian temperatury w cyklach dobowych i rocznych. Te pierwsze pochodzą od zmian temperatury w dzień i w nocy o znacznym gradiencie, zwłaszcza gdy nawierzchnia poddana jest silnemu nasłonecznieniu, natomiast drugie związane są ze zmianami pór roku. Dobowe pomiary przemieszczeń pionowych betonowych płyt lotniskowych swobodnie podpartych potwierdziły, że przy nagrzaniu powierzchni płyty (w dzień) unosi się jej część środkowa, natomiast podczas oziębienia powierzchni (w nocy) unoszą się narożniki (rys. 1). Podobne zachowania obserwowane są w cyklu lato–zima.
Działanie ciężaru własnego konstrukcji (G) oraz zmiennych w czasie eksploatacyjnych obciążeń (S) statkami powietrznymi (statyczne i dynamiczne) powoduje zmęczeniowe osłabienie betonu nawierzchni w wyniku powtarzalności ruchu nakładającego się na cykliczne odkształcenia termiczne (rys. 1). W dłuższym czasie prowadzi to do powstawania zarysowań przekroju krytycznego w płytach, a dalsze cykliczne obciążenia zmieniają zarysowanie w pęknięcie, wokół którego następnie tworzą się wykruszenia, spowodowane działaniem koncentracji naprężeń w strefach kontaktu ziaren betonu – fot. 3.
Przeciążenie uniesionych narożników płyt skutkuje powstaniem pęknięć o kształcie wycinka koła (fot. 4a), natomiast przeciążenie płyty w środku rozpiętości powoduje powstanie pęknięcia w poprzek płyty (fot. 4b). Uszkodzenia te powstają z reguły w miejscach, gdzie statki powietrzne poruszają się jednym torem (fot. 5a). Niezabezpieczone w sposób właściwy pęknięcie stanowi źródło kolejnych uszkodzeń (działanie koncentracji naprężeń), które w dłuższym czasie prowadzą do całkowitej destrukcji nawierzchni lotniskowej wymagającej usunięcia zdegradowanego elementu (fot. 5b).
Fot. 5. Regularny układ uszkodzeń narożników w osi ruchu goleni głównej samolotu – a), zaawansowana destrukcja narożnika niezabezpieczonego w sposób właściwy – b)
Uszczelnienia masami bitumicznymi
Materiałem tradycyjnie stosowanym do uszczelniania szwów dylatacyjnych oraz nowo powstałych pęknięć (fot. 5 i 2d) są masy bitumiczne. Uszczelnianie szczelin i pęknięć ma na celu zabezpieczenie podbudowy lub podłoża przed wodą oraz niedopuszczenie do klinowania się ziaren kruszywa w szczelinach. Niestety, materiały bitumiczne nie zapewniają prawidłowego uszczelnienia w dłuższym okresie, gdyż ulegają degradacji termicznej i mechanicznej. W lecie pod wpływem wysokich temperatur bitum wypływa ze szczelin (fot. 6a) lub jest z nich wyciskany przez rozszerzające się elementy betonowe (fot. 6b), natomiast w zimie pod wpływem niskich temperatur staje się kruchy oraz łatwo pęka pod obciążeniem (fot. 6c). Szczelina zabezpieczona masą bitumiczną wymaga wymiany już po niedługim okresie eksploatacji i w żaden sposób nie zabezpiecza podłoża przed penetrującą wodą, przyczyniając się do dalszej destrukcji uszkodzonej płyty betonowej. Woda dostająca się przez nieszczelności pod płyty wywołuje przewilgocenie gruntów skutkujące osłabieniem nośności podłoża, czego efektem są osiadania lub wysadziny (w zimie). Masy bitumiczne nieposiadające nośności na ścinanie nie zapobiegają temu zjawisku (fot. 6d).
Fot. 6. Obraz negatywnej pracy mas bitumicznych uszczelniających betonowe nawierzchnie lotniskowe
Fot. 7. Schemat działania hydrodynamicznego pompowania – a) [2], wypychanie masy bitumicznej przez wodę pod ciśnieniem – b), wciąganie masy bitumicznej pod płytę spowodowane klawiszowaniem – c)
Działanie zjawiska hydrodynamicznego pompowania
Dostawaniu się wody pod płyty nawierzchni towarzyszy zjawisko hydrodynamicznego pompowania (fot. 7a) wywołanego przejazdem koła samolotu. Jego mechanizm polega na transporcie okruchów przez wodę pod ciśnieniem. Zjawisko to jest odpowiedzialne za uszkodzenia uszczelnień i klawiszowanie płyt (fot. 7b, c).
Błędy technologiczne
Częstym powodem powstania uszkodzeń w nawierzchniach betonowych są błędy popełnione przy budowie lub naprawie. Niezachowanie reżimu technologicznego przy budowie powoduje, że spękania płyt mogą powstawać w wyniku działania skurczu betonu lub wysokiego ciepła hydratacji. Uszkodzenia powierzchniowe w postaci kawern, włosowatych spękań (fot. 3) lub złuszczeń (fot. 8a) są najczęściej spowodowane niewłaściwym doborem materiału lub nieodpowiednią pielęgnacją betonu przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych. Niewłaściwie dobrana technologia naprawy uszkodzeń może być na przykład przyczyną wykruszania i odpadania faktury wierzchniej płyt (źle ułożona nawierzchnia epoksydowa – fot. 8b), a punktowe wzmocnienie podłoża mikropalami może powodować pękanie wiotkiej nawierzchni pasa startowego pod obciążeniem (fot. 8c).
Osobnego komentarza wymaga uszczelnianie pęknięć masami bitumicznymi. Technologia ta jedynie powierzchniowo maskuje uszkodzenia, gdyż po krótkim czasie degradacja bitumu pozwala na ponowną penetrację wody (fot. 5b). Płytkie nacięcie pęknięcia i wypełnienie go bitumem nie zapobiega koncentracjom naprężeń pod „zabezpieczeniem”, co skutkuje pojawieniem się nowych uszkodzeń w sąsiedztwie (fot. 2d, 6e).
Fot. 8. Uszkodzenia spowodowane błędami technologicznymi: a) złuszczenia powierzchniowe, b) odspojenie powierzchniowej warstwy naprawczej, c) pęknięcia wywołane punktowym przesztywnieniem nawierzchni
Podsumowanie
Występowanie uszkodzeń oraz ich skuteczne usuwanie z nawierzchni lotniskowych jest zagadnieniem poważnym, gdyż stanowi o bezpieczeństwie ruchu statków powietrznych. Zaprezentowane wybrane rodzaje uszkodzeń nawierzchni i przyczyny ich powstawania (najczęściej złożone) pokazują, że naprawa tego rodzaju obiektów nie jest zadaniem banalnym. Świadczy o tym liczba uszkodzeń występujących na polskich lotniskach, często pojawiających się w krótkim czasie po remoncie nawierzchni lotniskowych. Zasadniczym problemem przy naprawie tego rodzaju obiektów jest krótki czas wyłączenia nawierzchni z użytkowania (często jest to jedynie kilka godzin w ciągu doby), spowodowany koniecznością utrzymania stałego ruchu lotniczego. W niewielu przypadkach można sobie pozwolić na zamknięcie lotniska na kilka miesięcy w celu wykonania kapitalnego remontu nawierzchni i dlatego właśnie sankcjonuje się stosowanie napraw prowizorycznych (maskujących uszkodzenia – wypełnianie powierzchniowe pęknięć masami bitumicznymi) i nietrwałych, które zamiatają problem pod dywan, nie eliminując go.
Obecnie alternatywą dla nieskutecznych technologii napraw jest rozwiązanie oparte na polimerowych złączach podatnych, opracowane pod kątem napraw betonowych nawierzchni lotniskowych i drogowych. Zastosowanie w praktyce polimerowych złączy podatnych pozwala zrealizować maksymę zawartą w mantrze napraw lotniskowych: „Wejdź jak najszybciej; Wykonaj to porządnie; Zejdź tak szybko jak to możliwe; Pozostań daleko jak najdłużej”.
dr inż. Arkadiusz Kwiecień
Politechnika Krakowska
Konsorcjum Naukowo-Przemysłowe PK-NTB
Zdjęcia 1, 3–5 i 7 – Bogusław Zając
Tekst oparty na referacie wygłoszonym podczas konferencji Awarie Budowlane’09.
Literatura
1. A. Kwiecień, Uszkodzenia betonowych nawierzchni lotniskowych, XXII Konferencja Naukowo-Techniczna „Awarie Budowlane’09”, Szczecin–Międzyzdroje 2009.
2. A. Szydło, Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego. Teoria, wymiarowanie, realizacja, Polski Cement Sp. z o.o., Kraków 2004.
