Iniekcje geopolimerowe. Wzmacnianie nawierzchni dróg i lotnisk

Geobear wraz z Polskim Kongresem Drogowym, Stowarzyszeniem Inżynierów i Techników Komunikacji RP zapraszają na kolokwium eksperckie dedykowane branży drogowej i lotniskowej. Jego tematem przewodnim będą kwestie jakości i wytrzymałości podłoża gruntowego. Omówione zostaną najnowsze technologie wzmocnienia i poprawy parametrów wytrzymałościowych nawierzchni komunikacyjnych. Wśród gości min. gen. Lech Majewski, dr inż Tadeusz Suwara i prof. Antoni Szydło.

Program i zapisy na stronie PDK >>>

Technologia szybkiego poziomowania betonowych płyt drogowych przy pomocy iniekcji geopolimerowych.

Przedstawiamy zagadnienie szybkich napraw nawierzchni betonowych oraz wzmacniania podbudów drogowych w celu zapobiegania osiadaniom, które w konsekwencji prowadzą do degradacji płyt nawierzchniowych. Technologia iniekcji geopolimerowych, o której mowa poniżej to rozwiązanie praktyczne i ekonomiczne pozwalające w sposób szybki i nieinwazyjny naprawić przyczynę problemu oraz proaktywnie wydłużać użyteczność techniczną nawierzchni.

O eksploatacji nawierzchni betonowych

Konstrukcje nawierzchni dróg betonowych – z założenia mają być „długowieczne”, tj. – mają zapewniać okres użyteczności technicznej bez gruntownych napraw w okresie minimum 40 lat.

Proces utrzymania nawierzchni betonowych zdeterminowany jest przez wiele czynników, które należy wziąć pod uwagę jak zróżnicowany wiek konstrukcji oraz zróżnicowany stan techniczny. Ponadto aktualny stan administrowanej sieci wynika z dotychczasowych strategii zarządzania, niekiedy nieodpowiednio przygotowanych lub niedostatecznie realizowanych [5]. Zasadniczym czynnikiem wpływającym na możliwość podejmowania decyzji jest z pewnością budżet jakim dysponuje zarządca drogi.

Często na etapie eksploatacji nawierzchni stykamy się z efektami rozwiązań, decyzji, technologii, błędów, zaniedbań powstałych na etapie realizacji inwestycji. Jest to niezwykle istotne aby założyć jakie czynniki z etapu budowy mogą skutkować problemami z nawierzchnią w okresie eksploatacji. Bardzo ważna jest świadomość i szukanie przyczyn ewentualnych uszkodzeń na wczesnym stadium rozwoju. Eliminacja zaniedbań powstałych na etapie realizacji nie zwalnia z obowiązku utrzymania nawierzchni betonowych zgodnie ze sztuką, z dochowaniem staranności w zakresie pielęgnacji dylatacji i uszczelnień, zapewnienia odpowiednich właściwości przeciwpoślizgowych, kontroli właściwego podparcia płyt betonowych oraz dostateczną wytrzymałość podbudowy.

Uszkodzenia nawierzchni betonowych

Nawierzchnie betonowe są niezwykle praktyczne i ekonomiczne pod warunkiem, że wiemy jak się z nimi obchodzić podczas eksploatacji oraz jak eliminować przyczyny pojawiających się uszkodzeń. Generalnie, dywersyfikujemy uszkodzenia na dwa typy: strukturalne i powierzchniowe [2]. Uszkodzenia strukturalne, czyli świadczące o trwałości konstrukcji nawierzchni to przede wszystkim pęknięcia płyt zapoczątkowane na powierzchni lub w spodzie warstw, deformacje szczelin, osiadanie (klawiszowanie) płyt. Uszkodzenia powierzchniowe czyli świadczące o trwałości warstwy ścieralnej, to ścieranie nawierzchni oraz łuszczenie, pęknięcia włoskowate powierzchniowe, lejki, jamki i drobne ubytki.

Rys. nr 1. Obłamanie krawędzi płyty w wyniku osiadania. Źródło: A. Poteraj-Oleksiak

Trwałość konstrukcji nawierzchni warunkowana jest jej uszkodzeniami strukturalnymi, będącymi rezultatem oddziaływania na nią ruchu pojazdów. Powoduje to cykliczne powstawanie naprężeń i odkształceń rozciągających w nawierzchni, wywołujących w długim czasie eksploatacji spękania zmęczeniowe. Liczba obciążeń przeniesionych przez nawierzchnię określana jest terminem trwałości zmęczeniowej. O trwałości zmęczeniowej decyduje konstrukcja nawierzchni (grubość warstw) i jakość (parametry mechaniczne) materiałów [7].

Strategia utrzymania stanu nawierzchni danego typu musi uwzględniać powierzchniowe zabiegi utrzymaniowe wykonywane z odpowiednią częstotliwością, tak aby nie nastąpiło nadmierne uszkodzenie nawierzchni, którego skutkiem może być istotne zmniejszenie jej trwałości strukturalnej. Trzeba tu dodać, że nie istnieją nawierzchnie niewymagające zabiegów konserwujących. Trwałość nawierzchni należy rozumieć w istocie jako zbiór rozmaitych cech, które decydują o czasie eksploatacji nawierzchni (drogi) i kosztach jej utrzymania [7].

Osiadanie płyt betonowych

Osiadanie płyt betonowych jest jednym z częściej występujących zjawisk w trakcie użytkowania nawierzchni komunikacyjnych. Spowodowane jest brakiem współpracy pomiędzy płytami, brakiem dostatecznego podparcia, co w konsekwencji pod dużym obciążeniem prowadzi do nierównomiernego obniżania się płyt [2]. Brak dostatecznego podparcia płyt nawierzchniowych spowodowane może być problemami występującymi w podbudowie. Takie przyczyny jak rozluźnienie materiału podbudowy wskutek penetracji wody, wypłukiwanie materiału prowadzi do jej osłabienia. Skrajnie pod płytą mogą występować puste przestrzenie tzw. kawerny, które zdecydowanie obniżają nośność konstrukcji.

Rys. nr 2.  Klawiszowanie płyt. Źródło: A. Poteraj-Oleksiak

Zjawisko osiadających płyt powinno zostać wyeliminowane natychmiast po identyfikacji przyczyn [5]. W przeciwnym razie osłabiona konstrukcja ulegać będzie dalszej szybkiej degradacji przejawiającej się w postaci pęknięć płyt, obłamań krawędzi itp.

Rys. nr 3. Zjawisko pompowania. Źródło: materiały Geobear Sp. z o.o. [4]

Poniżej omówiono technologię szybkiej i skutecznej naprawy zjawiska klawiszowania, która może być stosowana proaktywnie, dla poprawy nośności gruntów w celu umożliwienia zwiększenia obciążeń. Jest też sposobem reagowania na problemy i usuwanie uszkodzeń.

Skuteczna technologia naprawy

Iniekcje geopolimerowe stanowią alternatywną metodę podparcia konstrukcji budowlanych poprzez wzmocnienie gruntu oraz poprawę jego nośności, wykonywaną w sposób bardzo szybki i nieniszczący. Efekt podparcia uzyskuje się poprzez wtryskiwanie materiału pod płyty, podbudowy, fundamenty oraz jako słupy geopolimerowe.

Rys. nr 4. Projekt rozmieszczenia punktów iniekcyjnych. Źródło: Projekt wykonawczy Geobear

Rys. nr 5. Rozmieszczenie punktów iniekcyjnych w terenie Źródło: A. Poteraj-Oleksiak

Iniekcje geopolimerowe poprawiają geotechniczne i hydrauliczne właściwości gruntów. Zwiększają nośność gruntu pod fundamentami oraz podbudową w celu umożliwienia zwiększenia obciążeń. Poprawiają parametry gruntów niestabilnych podatnych na zmianę objętości, jak również wypełniają puste przestrzenie lub kawerny (np. między gruntem a podbudową)  [3]. Celem technologii iniekcji geopolimerowych jest  przeciwdziałanie osiadaniu w długiej perspektywie czasowej, a gdy osiadanie już wystąpiło – są w stanie podnosić osiadłe budowle. Materiał geopolimerowy redukuje przewodnictwo wodne, czyli dodatkowo uszczelnia.

Zastosowanie iniekcji geopolimerowych można podzielić na dwie kategorie: konsolidacja przypowierzchniowa i konsolidacja wgłębna. W przypadku konsolidacji przypowierzchniowej geopolimer wstrzykiwany jest w płytki obszar pod fundamentem [1]. Ma to na celu przywrócenie pełnej styczności spodniej strony fundamentu ze znajdującym się pod nim gruntem i wypełnienie wszelkich pustych przestrzeni, które się w nim znajdują lub wypełnienie pustych przestrzenie w warstwach podbudowy, wzmocnienie i konsolidację. Konsolidacja wgłębna pozwala na wzmacnianie gruntów na większej głębokości, pozwalając na przeniesienie znacznych obciążeń.

Geopolimery

Geopolimery to żywice bez dodatków cementowych, specjalnie zaprojektowane do wzmacniania podłoża gruntowego. Wstrzykiwany materiał składa się z dwóch komponentów mieszanych bezpośrednio przed aplikacją: żywicy i utwardzacza w odpowiednio określonych proporcjach [3]. Skład żywic dobierany jest zgodnie z warunkami miejsca aplikacji przy uwzględnieniu szeregu czynników, takich jak: właściwości gruntu, rodzaj i nośność gruntu, obciążenie, szybkość procesu wiązania oraz zakładane parametry konsolidacji. Jednym z podstawowych parametrów charakteryzujących materiał geopolimerowy jest szybkość wiązania aplikowanej substancji, czyli procesu uzyskania wytrzymałości kohezyjnej, a przez to fizycznych i chemicznych właściwości materiału w wyniku reakcji chemicznej (polimeryzacji). Efekt jest osiągany bardzo szybko: około 90-95% zakładanej wytrzymałości uzyskuje się w czasie kilku do kilkunastu minut [6]. Technologia nie powoduje zbędnych uciążliwości, nie generuje urobku i nie wymaga mobilizacji ciężkiego sprzętu. Iniekcje mogą być wykonywane przy temperaturach od – 15°C do + 60°C. Sposób podania materiału umożliwia dotarcie na odległość nawet 100 m.

Sposób wykonania i rezultaty iniekcji geopolimerowych

Wykonanie zabiegu iniekcji jest procesem co do zasady prostym i szybkim, przy czym nieoceniona jest technika, precyzja oraz doświadczenie w wykonywaniu wtrysków materiału. Poniżej w kilku krokach przedstawione są poszczególne czynności jakie wykonuje się w ramach prac iniekcyjnych:

• mobilizacja i ustawienie sprzętu – mobilna ciężarówka, która zawiera cały osprzęt, brak ciężkiego sprzętu, brak urobku;
• wytyczenie w terenie miejsc otworów iniekcyjnych zgodnie z dokumentacją projektową;
• dokonanie przewiertów zgodnie z dokumentacja projektową;
• montaż jednorazowych rurek iniekcyjnych w przewiertach;
• instalacja i ustawienie elektronicznych łat laserowych na nawierzchni komunikacyjnej;
• wykonanie iniekcji geopolimerowej przy stałej kontroli geodezyjnej poziomu nawierzchni lotniskowej;
• usunięcie z terenu budowy odpadów i pozostałości procesu technologicznego.

Rysunek nr. 6 przedstawia projekt otworów iniekcyjnych na obszarze wzmocnienia. Rysunek przestawia schemat rozłożenia punktów iniekcyjnych, czyli otworów o średnicy 12 mm, przez które żywica iniektowana będzie do wnętrza konstrukcji. Punkty iniekcyjne rozłożone są regularnie, najczęściej w odległości 1,0 – 1,5 m od siebie. Odległość pomiędzy otworami warunkowana jest strefą oddziaływania pojedynczego punktu iniekcyjnego, która wynosi ok. 1 m, przy czym schemat ułożenia punktów może być uzależniony od rodzaju gruntu, obciążenia i nośności.

Materiał geopolimerowy, po wstrzyknięciu w warstwy znajdujące się bezpośrednio pod płytą, w kontrolowany sposób zwiększa swoją objętość, a podczas fazy polimeryzacji (utwardzenia) konsoliduje warstwę i podnosi płytę. Poprzez stabilizację i przywrócenie podparcia płyt nawierzchniowych przy jednoczesnym podniesieniu osiadających płyt, przywraca równości nawierzchni. Następuje poziomowanie i reniwelacja nawierzchni, wypełnienie pustych przestrzeni, kawern i ubytków w podłożu.

Rys. nr 6. Aplikacja materiału w podłoże gruntowe. Źródło: materiały Geobear Sp. z o.o. [4]

Niezależnie od tego, czy iniekcje mają na celu zapobieżenie osiadaniu w przyszłości czy też awaryjną poprawę parametrów nośności gruntu, Geobear przeprowadza standardową kontrolę pracy konstrukcji na miejscu wykonywania robót. Jej istotne elementy są monitorowane przy użyciu laserów obrotowych i zamontowanych czujników, z sensorami umieszczonymi w pobliżu aktywnego punktu iniekcyjnego. Każda iniekcja zostanie przedłużona do momentu zarejestrowania reakcji (< 0,5 mm) [6]. Wskazuje to na osiągnięcie odpowiedniego stopnia zagęszczenia / konsolidacji. Stanowi to również dowód, że stabilizowany grunt został odpowiednio wzmocniony, aby znosić obciążenia wywoływane przez konstrukcję, ponieważ siła skierowana ku górze będzie działać na spodnią stronę leżącego wyżej fundamentu, powodując przemieszczanie w górę.

Rys. nr 7. Poziomowanie płyty. Źródło: materiały Geobear Sp. z o.o. [4]. Rys. nr 8. Czujnik pomiarowy. Źródło: A. Poteraj-Oleksiak

Rys. nr 9. Dwukierunkowość ekspansji materiału geopolimerowego. Źrodło: Materiały Geobear Sp. z o.o. [4]

Bezpośrednio po aplikacji materiał geopolimerowy będzie się przemieszczać i pęcznieć zarówno w poziomie, jak i w pionie, rozpychając się i torując sobie drogę do najsłabszych obszarów iniektowanej warstwy. Gdy to nastąpi, geopolimer będzie pęcznieć w pionie i wywrze nacisk na spodnią stronę fundamentu, przechodząc w końcu ze stanu ciekłego w stały stan skupienia.

Rys. nr 10. Zakres oddziaływania iniektowanego materiału. Źródło: Projekt wykonawczy Geobear

Poziomowanie za pomocą iniekcji geopolimerowych znajduje zastosowanie w miejscach osiadania jako stabilizacja oraz podniesienie i poziomowanie betonowych płyt drogowych lub lotniskowych. Metoda iniekcji zasadniczo różni się od tradycyjnych metod poziomowania, ponieważ umożliwia wykonanie prac w krótkim czasie oraz w sposób nieuciążliwy i niepowodujący nadmiernych zakłóceń. Iniekcja rozszerzającego się geopolimeru może być zastosowana również do ochrony przed korozją, wypełnienia pustek (w tym kawern), zapadniętych elementów konstrukcji bądź całych konstrukcji.

Rys. nr 11. Osiadanie płyty DK 50. Źródło: A. Poteraj-Oleksiak. Rys. nr 12. Płyta po wykonaniu. Źródło: A. Poteraj-Oleksiak

Iniekcje geopolimerowe. Podsumowanie

Elementem bardzo wrażliwym z punktu widzenia prawidłowej pracy konstrukcji nawierzchni z betonu cementowego jest dobra współpraca płyt, dzięki czemu możliwe jest przenoszenie określonych obciążeń. Jeśli taka współpraca zostanie osłabiona, konsekwencją jest szybsze niszczenie nawierzchni. Iniekcje geopolimerowe w drogownictwie to nieoceniona technologia wzmocnienia konstrukcji poprzez stabilizację podłoża gruntowego oraz możliwość podwyższenia parametrów wytrzymałościowych z możliwością jednoczesnego poziomowania i podnoszenia osiadających płyt. To rozwiązanie jest szybką i skuteczną metodą naprawy nawierzchni betonowych, bez konieczności mobilizacji ciężkiego sprzętu, urobku oraz nadmiernej ingerencji w konstrukcję nawierzchni.

Różnice technologii iniekcji geopolimerowych na tle iniekcji cementowych lub iniekcji o mieszanym składzie:

• rozszerzalność i ekspansywność – użycie żywicy o silnym rozszerzaniu (ponad 5-krotność początkowej objętości przy swobodnym rozszerzaniu) i szybkim (początek rozszerzania od 2 do 5 sekund),
• wysokie ciśnienie pęcznienia żywicy Geobear podczas procesu ekspansji w gruncie,
• wdrożenie przy użyciu bardzo lekkiego i bardzo zredukowanego sprzętu umożliwiającego niemal zupełnie nieniszczące wykonanie,
• wtryskiwanie żywicy na głębokość (do około – 8,0 m w stosunku do platformy roboczej),
• kontrola ekspansji za pomocą monitoringu ruchu przez poziom lasera,
• unikalny sposób dyfuzji żywicy, który odbywa się poprzez impregnację (makropróżnie i pęknięcia) lub poprzez pękanie / przebicia lub przez kombinację tych dwóch rodzajów dyfuzji poprzez systematyczne działanie trójwymiarowego statycznego kompaktowania (zagęszczania),
• technologia umożliwia podniesienie konstrukcji do 30 cm, korygowanie nachyleń i eliminowanie różnic w wysokości,
• wzmocnienie podłoża gruntowego, możliwość zwiększenia dopuszczalnego nacisku powierzchniowego do 600%,
• system aplikacji geopolimerów umożliwia pełną i precyzyjną kontrolę zabiegu poprzez ciągły monitoring obszaru osiadania, który ma zostać podniesiony. Eliminuje to w znaczny sposób ryzyko połamania lub pęknięcia płyt.

Bibliografia:

1. Non-Disruptive Ground Engineering Services. How ground injection works and where to use it. Prezentacja URETEK, grudzień 2017.
2. Szydło A., „Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego”, wyd. Polski Cement, Kraków 2004
3. Bromley L., Hadfield D.: Broszura techniczna: Iniekcje geopolimerowe w budownictwie. Uretek. 2016.
4. www.geobear.pl.
5. Poteraj-Oleksiak A.: Wzmacnianie podłoża gruntowego i podbudowy dróg betonowych przy pomocy iniekcji geopolimerowych. II Suwalskie Forum Drogowe, Suwałki, 16.03.2018 r.
6. CSTB Europejska Ocena Techniczna
7. Budownictwo Przemysłowe, 2008 Budownictwo drogowe
8. Badanie Hellmeier P. Soranzo E. W. Wu R. Niederbrucker, Pasquetto A. (2011) "An experimental investigation into the performance of polyurethane grouting in soil"