Uszkodzenia i naprawy nawierzchni betonowych

– Siatka spękań włoskowatych może powstać również na skutek drgań wywołanych ruchem, a także przez ruch technologiczny wprowadzony, zanim beton osiągnie odpowiednią wytrzymałość. Kolejną przyczyną występowania tego rodzaju uszko­dzeń jest zbyt intensywne prowa­dzenie zabiegów wykończeniowych [6], takich jak np. zacieranie.

– Ścieranie się nawierzchni powo­duje utratę antypoślizgowej tek­stury, a w skrajnych przypadkach koleinowanie. W pierwszej kolej­ności ściera się zaprawa i zostaje wyeksponowane kruszywo grube, które zaczyna ulegać polerowaniu, powodując śliskość nawierzchni [6]. Nadmierne ścieranie się na­wierzchni jest związane przede wszystkim z zastosowaniem nieod­powiedniego kruszywa. Zasadnicze znaczenie dla odporności zaprawy ma piasek – jego ścieralność i przy­czepność do zaczynu. Ważne jest także, aby kruszywo grube miało odpowiednią odporność na polero­wanie [2].

– Złuszczenie jest jedną z najpoważ­niejszych wad powierzchniowych betonu. Polega ono na odspajaniu fragmentów zaprawy i kruszywa grubego z powierzchni płyty beto­nowej. Prowadzi to do powstawania zagłębień, nierówności i obniżenia trwałości nawierzchni. Beton łusz­czy się pod wpływem działania mro­zu i środków odladzających [6].

– Odpryskiwanie betonu polega na od­rywaniu się pojedynczych, większych fragmentów materiału z powierzch­ni płyty. Zjawisko ma podobne pod­łoże jak złuszczenie. Zazwyczaj spo­wodowane jest działaniem mrozu i środków odladzających [6]. Odpry­ski betonu zdarzają się również jako efekt korozji elektrochemicznej stali zbrojeniowej (dotyczy jedynie płyt zbrojonych).

– Rdzawe plamy występują tylko w pły­tach zbrojonych i spowodowane są korozją zbrojenia. Pojawienie się od­barwień często poprzedza odpryskiwanie betonu. Wystąpieniu odbar­wień i odprysków sprzyja zbyt płytko umieszczona siatka zbrojeniowa [6].

– Niedostatecznie rozwinięta tek­stura (niedostateczna szorstkość powierzchni) powoduje zmniejszo­ną przyczepność kół pojazdów, co decyduje o bezpieczeństwie jazdy. Wada ta może być spowodowana błędem wykonawczym – wadliwym teksturowaniem lub nadmiernym ścieraniem się powierzchni betonu w czasie eksploatacji.

Do grupy uszkodzeń strukturalnych należą takie wady, które znacząco wpływają na geometrię i pracę be­tonowych elementów nawierzchni, szczególnie te, które zaburzają ciągłość płyt i osłabiają przekrój elemen­tu. Należą do nich:

– Pęknięcia płyt przebiegające przez całą grubość warstwy betonowej, dzieląc płytę na mniejsze frag­menty, które zaczynają pracować niezależnie, powodują progi w na­wierzchni, obniżające komfort jaz­dy lub mogące przyczynić się do awarii zawieszenia pojazdów. Po­wstaje szczelina, do której dostają się zanieczyszczenia, które wraz z wodą mają swobodę penetracji aż do warstwy podbudowy. Krawędzie są podatne na obrywanie, co potęguje efekt niszczenia nawierzch­ni. Istnieją dwa podstawowe typy pęknięć – w narożach i poprzeczne. Przyczyną pękania płyt jest kilka zja­wisk: występowanie odkształceń i naprężeń termicznych związanych z dobowym i rocznym cyklem zmian temperatury, naprężenia termiczne wynikające z ograniczonej swobody podłużnego odkształcania się płyt, wadliwe podparcie płyty spowodo­wane niejednorodnością podbudowy związaną z nierównym zagęszcze­niem lub działaniem wody.

– Klawiszowanie występujące na sku­tek nierównego podparcia płyt przy krawędziach (częste w przypadku konstrukcji niedyblowanych) powo­duje powstanie poprzecznego progu w nawierzchni [6]. Jest niekorzystne dla trwałości nawierzchni – zwięk­sza prawdopodobieństwo wystąpie­nia spękań płyt, obrywanie krawędzi i przyczynia się do degradacji wypeł­nienia szczeliny dylatacyjnej. Może być spowodowane niedbałym zagęsz­czeniem podbudowy czy zjawiskiem „pompowania” hydrodynamicznego [7], kiedy to woda gromadząca się pod dylatacją na skutek dynamiczne­go obciążenia kołami pojazdów jest pompowana przez szczelinę dyla­tacyjną, wypłukując drobne frakcje z podbudowy. Następuje erozja ma­teriału podbudowy w okolicy szcze­liny poprzecznej, a płyty zaczynają klawiszować [6].

– Degradacja szczelin dylatacyj­nych, np. zmiana geometrii dylatacji, może być spowodowana nadmiernym klawiszowaniem lub po­ziomym przemieszczeniem krawędzi płyt. Prowadzi to do powstania pro­gów, uskoków i nieciągłości. Zmniej­sza komfort i bezpieczeństwo jaz­dy, a także powoduje pogorszenie współpracy krawędzi płyt z mate­riałem uszczelniającym, co prowadzi do penetracji wody i zanieczyszczeń w głąb dylatacji i do warstwy pod­budowy. Kiedy dylatacja wypełnia się materiałem obcym, takim jak okruchy betonu, pyły, gleba, prze­staje prawidłowo pracować. Płyty betonowe zostają pozbawione swo­body odkształceń, co powoduje wy­stępowanie naprężeń termicznych. Zanieczyszczone szczeliny, zwłasz­cza zarośnięte drobną roślinnością, utrzymują wysoką wilgotność, co przyspiesza korozję mrozową beto­nu i reakcję alkalia – krzemionka.

– Wysadziny, które skutkują najczę­ściej klawiszowaniem lub pękaniem płyty ze względu na zmianę warun­ków podparcia. Spowodowane są wadliwym działaniem dylatacji. Pły­ty nie mają swobody odkształceń termicznych – jeśli nie popękają, to w pewnych miejscach zostają wysa­dzone do góry [8].

– Degradacja wgłębna, czyli lokalne lub globalne obniżenie parametrów wytrzymałościowych materiału, wy­stępuje gdy mieszanka betonowa jest układana po rozpoczęciu procesu wią­zania. Układanie i zagęszczanie nisz­czy powstającą strukturę hydratów.

– Obrywanie krawędzi – uszkodzenie charakterystyczne dla poprzecz­nych szczelin dylatacyjnych polega na odspajaniu się materiału z obrze­ża płyty. Może być spowodowane korozją lub błędami wykonawczymi (zbyt wczesne nacięcie dylatacji przed uzyskaniem przez beton od­powiedniej wytrzymałości) [5].

– Rozwarstwienia – wady polegające na niejednorodności betonu na gru­bości płyty – są skutkiem segregacji mieszanki betonowej spowodowanej niewłaściwie zaprojektowanym be­tonem, „poprawianiem” konsysten­cji przez dodawanie wody lub złym zagęszczeniem („przewibrowanie” mieszanki) [4].

– Pustki wewnętrzne, czyli duże pę­cherze powietrza zamknięte w be­tonie, istotnie zmniejszają wytrzy­małość materiału. Ich obecność wskazuje na źle przeprowadzone zagęszczanie, podczas którego mieszanka betonowa nie została prawidłowo odpowietrzona [4]. Zda­rzają się również wtrącenia obce, które lokalnie pogarszają właściwości betonu – głównie wytrzymałość. Zazwyczaj pochodzą z zanieczysz­czeń kruszywa (np. grudki gliny, czę­ści organiczne lub śmieci), mogą się też dostać do betonu w czasie jego układania, skutkiem niskiej kultury wykonywania nawierzchni.

– Spękania przyszczelinowe wystę­pują jako spękania w okolicy szczeliny dylatacyjnej, równolegle do niej, to­warzyszą im zabarwienia betonu na ciemny szaro-brunatny kolor [6, 9]. Powodują je nasiąkliwe ziarna kruszy­wa grubego, poddane wielokrotnemu cyklowi zamrażania – rozmrażania, które pęczniejąc i pękając, powodują powstanie drobnych rys w zaczynie cementowym [9]. Pęknięcia powsta­ją w dolnej części płyty, przy krawę­dziach, i propagują do góry. Najczęściej występujące uszkodze­nia nawierzchni oraz potencjalne ich przyczyny zestawiono w tabl. 1 i 2.

Tabl. 1 Zestawienie uszkodzeń powierzchniowych i ich przyczyn

Tabl. 2 Zestawienie uszkodzeń strukturalnych i ich przyczyn

Metody nieniszczące jako narzędzie oceny nawierzchni

Podstawową metodą diagnostyki jest ocena wizualna. Ocena ta wspomaga­na jest wynikami badań metodami mało- i nieniszczącymi. Do najczęściej stoso­wanych metod małoniszczących należy pobieranie próbek rdzeniowych. Próbki rdzeniowe mogą zostać wykorzystane do oceny cech mechanicznych, a także innych cech fizycznych pozwalających na określenie przyczyn uszkodzeń na­wierzchni. Sugeruje się, aby próbki te były pobierane w miejscach wytypowa­nych na podstawie badań nieniszczą­cych, zarówno tych służących ocenie ugięcia nawierzchni, jak i służących ba­daniu ich integralności.

W pomiarach ugięć stosowane są urzą­dzenia mierzące odpowiedź nawierzchni na przyłożone obciążenie, statyczne lub dynamiczne. Najpowszechniej stosowa­ny jest ugięciomierz FWD (ang. Falling Weight Deflectometer), wykorzystują­cy obciążenie impulsowe. Najnowszym osiągnięciem w tym zakresie jest ugięciomierz laserowy TSD (ang. Traffic Speed Deflectometer) (rys. 1), skon­struowany do monitorowania nośności nawierzchni, a szczególnie do lokalizacji miejsc o obniżonej trwałości [13]. Opar­ty na zaawansowanej technologii lase­rowej ugięciomierz TSD szybko mierzy pionowe przemieszczenia powierzchni nawierzchni wywołanych przez poru­szającą się ciężarówkę. Zastosowanie techniki Dopplera pozwala na określenie prędkości ugięcia. Niewątpliwą zaletą ugięciomierza TSD jest budowa oparta na samochodzie ciężarowym z naczepą, którego ruch odpowiada rzeczywistemu zachowaniu pojazdu na drodze. Zauto­matyzowane pomiary przy prędkości dochodzącej do 95 km/h umożliwiają zbieranie danych, nie powodując zakłó­ceń w ruchu drogowym.

Do badań integralności nawierzchni zalecane są systemy radarowe GPR (ang. Ground Penetrating Radar) (rys. 1) [10]. Są to urządzenia bez- kontaktowe, wyposażone w antenę nadawczo-odbiorczą o częstotliwości centralnej około 1 GHz i średniej głę­bokości penetracji 60 cm [10], która poruszając się bezpośrednio nad ba­daną powierzchnią, emituje fale elek­tromagnetyczne i rejestruje sygnały odbite od granicy między obszarami o różnej stałej dielektrycznej [11]. Badania systemami GPR pozwalają na monitorowanie konstrukcji na­wierzchni betonowej w sposób ciągły, ocenę rozwarstwień oraz ubytków powierzchniowych, identyfikację spę­kań i pustek, a także pomiar stopnia zawilgocenia [12].

Oprócz GPR w badaniach nawierzch­ni stosowane są inne metody NDT, głównie wykorzystujące propagację fal sprężystych, w szczególności impact-echo, spektralna analiza fal powierzchniowych czy emisja aku­styczna [15] oraz metoda ultradźwię­kowa pośrednia. Obecnie rozwijane są systemy tomografii ultradźwiękowej [15], umożliwiające wizualizację jed­norodności przekroju nawierzchni. Konstrukcja nawierzchni betonowych podlega ciągłemu procesowi degrada­cji, co może prowadzić do zagrożenia bezpieczeństwa ruchu drogowego.

Z tego względu wymagana jest cią­gła obserwacja nawierzchni drogowej oraz okresowe badania diagnostyczne. Stanowią one główne źródło informa­cji wejściowych do analizy stanu drogi i opracowania planu jej konserwacji, naprawy lub renowacji, czego wynikiem ma być wydłużenie czasu eksploatacji nawierzchni drogowej i podniesienie jej zdolności operacyjnej.

Rys. 1 System pomiarowy GPR [http://www.scopus.com.pl/uslugi/uslugi-dla-zarzadcow-drog/diagnostyka-nawierzchni/] i ugięciomierz lasero­wy TSD [http://www.ndtoolbox.org/content/pavement/d-physical-principle]

Technologie naprawy nawierzchni Naprawy powierzchniowe

Uzupełnianie ubytków powierzchnio­wych, miejscowych złuszczeń czy wy- kruszeń można wykonywać punktowo przez:

– usunięcie uszkodzonego miejsca (najczęściej poprzez skucie lub wy­cięcie);

– dokładne oczyszczenie powierzchni oraz jej odpowiednie zagruntowanie;

– zastosowanie materiału naprawcze­go (zgodnie z wytycznymi producen­ta) posiadającego odpowiednią przy­czepność, wytrzymałość, barwę;

– wykończenie powierzchni (pielęgna­cja, teksturowanie powierzchni).

Uszorstnianie nawierzchni konieczne jest wtedy, gdy w wyniku błędów wy­konawczych nie uzyskano właściwej szorstkości nawierzchni. Szorstkość można poprawić przez:

– piaskowanie lub śrutowanie po­wierzchni wykonywane przez wy­strzeliwanie z dużą prędkością pia­sku lub śrutu stalowego;

– „gridding” wodą (natrysk wody pod wysokim ciśnieniem);

– „gridding” tarczami – wykonywa­ny maszyną wyposażoną w głowice z tarczami diamentowymi;

– rowkowanie („grooving”) wykonywa­ne mechaniczne za pomocą diamen­towych tarcz.

Fot. 1 Wtłaczanie zaczynu cementowego (http://precast.org/2011/05/precast- concrete-paving-slabs-built-to-last- and-install-fast)

Wyrównanie poziomu płyt i stabilizacja

W wyniku osiadania lub podnoszenia płyt powstaje różnica poziomów płyt. Jedną z metod wyrównania poziomu płyt i stabilizacji jest podnoszenie i stabilizacja płyt przez iniekcję za­czynem cementowym lub spienionym poliuretanem. W tym celu w płycie nawiercane są otwory technologicz­ne, przez które wpompowywany jest zaczyn cementowy lub spieniony po­liuretan (fot. 1). Otwory powinny być tak umiejscowione w płycie, aby za­pewnić prawidłowe wypełnienie ewen­tualnych pustek lub uzyskanie oczeki­wanego wyrównania poziomu płyty. Zaczyn należy wpompowywać równo­miernie, aby zminimalizować napręże­nia mogące doprowadzić do pęknięcia płyty w trakcie jej podnoszenia oraz kontrolować jej położenie względem płyt sąsiednich. Po wypełnieniu pustek pod płytą, wyrównaniu poziomu płyty i stabilizacji otwory technologiczne wypełniane są specjalnymi masami lub żywicami epoksydowymi przezna­czonymi do napraw betonu. Dyblowanie pionowe ma na celu polep­szenie współpracy oraz przenoszenie obciążeń sąsiadujących płyt, ponadto ogranicza przemieszczanie się płyt. Dyblowanie poziome zaś ma na celu przywrócenie odpowiedniej współpracy sąsiednich płyt oraz ograniczenie przemieszczeń pionowych tych płyt względem siebie. Frezowanie płyt sto­suje się w celu wyrównania poziomu płyt przez usunięcie części betonu.

Fot. 2 Wymiana płyty betonowej nawierzchni: a) nacięcie uszkodzonej płyty; b) mechaniczne usuwanie betonu; c) wiercenie otworów pod kotwy i dyble; d) wbudowywanie mie­szanki betonowej (archiwum TPA)

Wymiana płyt

Wymiana płyt jest konieczna, jeżeli żadna z wcześniejszych metod na­prawy nie zagwarantuje uzyskania i spełnienia pożądanych właściwości trwałościowych i eksploatacyjnych. Wymiana może dotyczyć całości płyt bądź fragmentów. Wymiana całych płyt betonowych składa się z nastę­pujących etapów:

– nacięcie piłą uszkodzonej płyty be­tonowej wraz z dyblami i kotwami po jej wewnętrznej stronie z wy­znaczeniem bezpiecznej strefy skuwania w celu uniknięcia uszkodzeń sąsiednich płyt (fot. 2a);

– usunięcie uszkodzonej płyty przez: mechaniczne kucie wyciętego uszko­dzonego fragmentu płyty oraz ręcz­ne usuwanie pozostałego betonu w strefie dylatacyjnej, sąsiadującej z innymi płytami w celu uniknięcia uszkodzeń tych płyt (fot. 2b);

– usunięcie wypełnień szczelin dylata­cyjnych oraz oczyszczenie krawędzi sąsiadujących płyt;

– wywiercenie nowych otworów w są­siadujących płytach na kotwy i dyble oraz ich montaż (fot. 2c);

– ułożenie warstwy separacyjnej za­pobiegającej przed spękaniami odbi­tymi oraz odprowadzającej wodę;

– wbudowanie, zagęszczenie i wyrów­nanie mieszanki betonowej spełnia­jącej wszystkie wymagania związa­ne z trwałością betonu stawiane wcześniej usuniętej płycie (fot. 2d);

– teksturowanie wymienionej po­wierzchni płyty w celu ujednolicenia z pozostałą częścią nawierzchni i spełnienia wymagań eksploatacyj­nych;

– pielęgnacja;

– odnowienie szczelin dylatacyjnych oraz ich wypełnienie.

Wymiana fragmentów płyt jest możli­wa w przypadku uszkodzenia tylko frag­mentu płyty: pęknięcia, uszkodzenia jej krawędzi lub głębokiego uszkodzenia szczeliny dylatacyjnej. Nie musi być wtedy wymieniana cała płyta, lecz jedy­nie jej fragment, który może być wymie­niony na gotowy element prefabryko­wany lub ponownie wykonany w miejsce usuniętego fragmentu płyty betonowej. W pracy pokazano jedynie wybrane typowe rodzaje napraw nawierzchni betonowych. Oprócz wymienionych często się stosuje powierzchniowe utrwalanie i odnowę za pomocą cien­kich dywaników – zmiana powierzchni wierzchniej warstwy nawierzchni.

Podsumowanie

Zestawienie najczęściej występują­cych uszkodzeń nawierzchni betono­wych i wskazanie ich potencjalnych przyczyn może być użyteczne do oce­ny i diagnostyki stanu nawierzchni, np. za pomocą metod nieniszczących, w celu dobrania odpowiedniej techniki naprawy.

Wioletta Jackiewicz-Rek

Politechnika Warszawska

Małgorzata Konopska-Piechurska

TPA Sp. z o.o.

Kamil Załęgowski

Andrzej Garbacz

Politechnika Warszawska

Literatura

1. Katalog typowych konstrukcji na­wierzchni sztywnych, Politechnika Wro­cławska 2013.

2. A. Szydło, Nawierzchnie drogowe z be­tonu cementowego. Teoria, wymiarowa­nie, realizacja,Polski Cement, 2004.

3. W. Jackiewicz-Rek, M. Konopska-Piechurska, P. Dudziec, Nawierzchnie betonowe – klasyfikacja i przyczyny powstawania uszkodzeń, Concrete pavements – classification and causes of damage, Dni Betonu 2015.

4. M. Urbański, Typowe uszkodzenia na­wierzchni betonowych, Zeszyty Nauko­we Politechniki Częstochowskiej, Czę­stochowa 2008.

5. J. Wojtawicki, Przyczyny powstawa­nia uszkodzeń nawierzchni z betonu cementowego, „Lotnisko” nr 3/2008.

6. Pavement Surface Evaiuation and Rating [PASER] Manuał, Concrete Roads, Transportation Information Center, University of Wisconsin-Madison, 2002.

7. A. Kwiecień, Uszkodzenia betonowych nawierzchni lotniskowych, XXIV Kon­ferencja Naukowo-Techniczna „Awarie budowlane”, Szczecin-Międzyzdroje 2009.

8. F. Bautista, I. Basheer, Jointed Plain Concrete Pavement [JPCP]: Preservation and Rehabilitation Design Guide, California Department of Transportation, 2008.

9. J. O'Doherty, D-cracking of Concrete Pavements, Materials and Technology Engineering and Science, Michigan Department of Transportation, May 1987.

10. R. Sztukiewicz, Badania nieniszczą­ce konstrukcji nawierzchni drogowej, 34. KKBN, Zakopane, 2005.

11. J. Sudyka, T. Mechowski, P. Harasim, Nowoczesne metody oceny stanu na­wierzchni drogowej, 4th International Conference Modern Technologies in Highway Engineering, Poznań 2009.

12. Ł. Drobiec, R. Jasiński, A. Piekarczyk, Diagnostyka konstrukcji żelbetowych, tom 1, PWN, 2010.

13. T. Saarenketo, T. Scullion, Road evaluation with Ground Penetrating Radar, Journal of Applied Geophysics 43.

14. J. Sudyka, T. Mechowski, Pilotażowe badania porównawcze ugięciomierzy TSD i FWD, „Drogownictwo” nr 5/2012.

15. J. Hoła, J. Bień, Ł. Sadowski, K. Schabowicz, Non-destructive and minordestructive diagnostics of concrete structures in assessment of their durability, Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences 63/2015.

Uwaga: artykuł oparty jest na refera­cie prezentowanym na XXVII Konferencji „Awarie budowlane” 2015.