Papa bitumiczna pełni rolę materiału izolacyjnego w związku z warunkami, jakie stwarza nawierzchnia drogowa pracująca w różnych porach roku, oraz z oddziaływaniem skażonego środowiska naturalnego, zwłaszcza powietrza. Dlatego materiał izolacyjny narażony jest na:
- stałe zawilgocenie przy małych spadkach poprzecznych nawierzchni drogowej,
- brak możliwości bieżącej konserwacji i lokalnych napraw uszkodzeń izolacji,
- drgania od obciążeń dynamicznych pomostu w zakresie temperatur od –25 do 55ºC (od 248 do 328 K) w przypadku pomostów stalowych i od –15ºC do 30ºC (od 258 do 303 K) w przypadku pomostów betonowych,
- możliwość wystąpienia czynnych rys w podłożu betonowym przy jednoczesnym dynamicznym obciążeniu intensywnym ruchem pojazdów, co ma szczególne znaczenie w temperaturach ujemnych,
- częste, chwilowe, wysokie ciśnienia wody w szczelinach podłoża betonowego (pomosty betonowe lub żelbetowe) oraz szczelinach i pęknięciach nawierzchni spowodowane najazdem koła pojazdu (zjawisko pompowania wody pod oponą pojazdu drogowego),
- występowanie zjawiska ciśnienia pary wodnej w porach i rysach podłoża betonowego oraz na granicy podłoża i izolacji w przypadku zamknięcia wody pod izolacją (woda technologiczna, woda z opadów atmosferycznych pozostała w wyniku prowadzenia prac w niesprzyjających warunkach atmosferycznych); zjawisko to uwidacznia się szczególnie w momencie rozkładania i zagęszczania gorącej mieszanki mineralno-asfaltowej.
Rola papy bitumicznej stanowiącej element konstrukcji drogowej sprowadza się głównie do:
- kształtowania przyczepności nawierzchni do podłoża betonowego lub stalowego,
- relaksacji naprężeń rozciągających (od obciążeń pionowych) i ścinających, które powstają od poziomych składowych obciążenia użytkowego,
- kompensacji odkształceń pochodzących od pełzania materiału nawierzchni.
Materiały izolacyjne
Obecnie na obiektach inżynierskich jako materiały izolacyjne stosuje się kompozyty organiczne typu powłokowego i arkuszowego. W materiałach powłokowych obok określonego rodzaju lepiszcza występuje element zbrojący w postaci włókna lub tkaniny, który może być również natury organicznej (np. tkanina poliestrowa) albo pochodzenia nieorganicznego (np. włóknina lub wata szklana). Jako lepiszcza organiczne stosowane są materiały bitumiczne i żywice syntetyczne oraz ich kombinacje w postaci mieszanin bitumów i żywic w różnych stosunkach objętościowych. Ogólny podział tego typu materiałów przedstawiono na rys. 1.
Materiały stosowane w nawierzchniach drogowych w latach 70.
Wiele materiałów przedstawionych na rys. 1 zostało sprawdzonych przez autora osobiście lub w zespołach badawczych w warunkach praktycznego wykorzystania na dużych obiektach inżynierskich zarówno na etapie układania, jak i 10-letniej eksploatacji. Podczas stosowania okazywało się, że np. masy na żywicach poliuretanowych utwardzanych chemicznie wilgocią z powietrza w warunkach in situ (podczas wbudowywania w nieodpowiednich warunkach atmosferycznych) nie wytrzymywały próby czasu i w jednym z przypadków po 4 latach eksploatacji wystąpiła konieczność wymiany nawierzchni bitumicznej na moście Cłowym w Szczecinie.
Nie tylko te prace z użyciem żywic syntetycznych, chemoutwardzalnych (np. poliuretanowych, epoksydowych) prowadzone na moście Cłowym w Szczecinie, lecz także wiele innych robót w obiektach inżynierskich w Szczecinie i województwie zachodniopomorskim zakończyło się niepowodzeniem. Efektem tego była konieczność przeprowadzenia różnego typu remontów, a nawet wymiany całych nawierzchni, czyli odbudowy układu warstwowego nawierzchni wyłącznie z udziałem lepiszcza bitumicznego.
Właśnie tego typu doświadczenia z materiałami izolacyjnymi na bazie żywic syntetycznych modnych w budownictwie komunikacyjnym w latach 70. i 80. XX w. zadecydowały, że większość robót bitumicznych w obiektach inżynierskich wykonywano z użyciem materiałów, w których lepiszczem był asfalt lub asfalt modyfikowany SBS (styren-butadien-styren).
Już w latach 70. XX w. do remontu nawierzchni asfaltowej na mostach stalowych w ciągu autostrady poznańskiej były stosowane wyłącznie specjalne betony asfaltowe i asfalt lany. Przykład konstrukcji wykonanej w 1978 r. na moście im. Gen. K. Świerczewskiego w ciągu autostrady poznańskiej przedstawiono na rys. 2.
Stosowanie rozwiązań z udziałem lepiszczy asfaltowych znalazło swoje szczególne uzasadnienie na mostach stalowych z płytą pomostową ortotropową. Wynikało to z zagrożeń pochodzących nie tylko od obciążenia ruchem drogowym, wywołującym głównie naprężenia normalne, lecz także, a może przede wszystkim, indukowanych termicznie naprężeń stycznych. Bogate doświadczenia w tym zakresie zdobyto w Niemczech, gdzie po zakończeniu II wojny światowej wiele mostów zniszczonych podczas działań wojennych wymagało odbudowy.
Wybudowane w Niemczech w okresie powojennym mosty na ogół mają grubość blachy 10–12 mm. Od dołu wzmacniane są żeberkami podłużnymi rozmieszczonymi co 30 cm. Na niektórych obiektach zastosowano dodatkowo przyspawane do płyt od góty płaskowniki o wymiarach 15ﾗ25ﾗ6 mm w odstępach co 150 mm. Mają one za zadanie zwiększyć sztywność płyty (podobnie jak żebra od dołu płyty) oraz zabezpieczyć nawierzchnię przed ruchami poziomymi i zespolić płytę mostu z nawierzchnią. Przykładowe rozwiązania konstrukcji jezdni na obiektach w Niemczech przedstawiono na rys. 3–4 [2].
Mastyks asfaltowy w obu wypadkach stanowi najniższą warstwę nawierzchni. Wraz z masą klejącą (kompozyt żywicy epoksydowej rozcieńczonej smołą i utwardzonej za pomocą katalizatora w procesie in situ) pełni rolę warstwy izolującej płytę mostu oraz część konstrukcji nawierzchni drogowej, w której następuje relaksacja naprężeń powstających w wyniku różnicy pomiędzy wspłczynnikami rozszerzalności przylegających materiałów w związku ze zmianami temperatury i obciążenia od ruchu. Według przepisów niemieckich bardzo ważny jest skład mastyksu, który powinien zapewniać właściwości izolujące, a także wystarczającą stabilność. Brak właściwej stabilności może być powodem przemieszczeń warstw nawierzchni pod wpływem ruchu.
