Nawierzchnie betonowe - uszkodzenia i naprawy

Nawierzchnie betonowe w Polsce projektowane są na okres eksploatacji nie krótszy niż 30 lat, zgodnie z wymaganiami zawartymi w Katalogu Typowych Konstrukcji Nawierzchni Sztywnych z 2001 r. [1].

W pierwszych latach eksploatacji nawierzchni betonowych zakres prac związanych z ich utrzymaniem ogranicza się głównie do przeglądu, oceny i wypełniania szczelin dylatacyjnych. W kolejnych latach użytkowania mogą pojawić się pęknięcia krawędzi płyt w rejonie dylatacji.

Po ok. 10 latach eksploatacji należy wykonać pierwsze zabiegi związane z poprawą szorstkości nawierzchni. Po ok. 20-30 latach mogą pojawić się spękania siatkowe oraz pęknięcia w narożach i krawędziach płyt, które wymagają wzmocnienia nawierzchni lub wymiany na nową [2].

Wszystkie wady i uszkodzenia nawierzchni betonowych mogą wystąpić we wcześniejszym okresie użytkowania niż to zakładano. Związane może to być z popełnieniem błędów na poszczególnych etapach ich wykonywania, przekładających się bezpośrednio na obniżenie parametrów nawierzchni oraz całej konstrukcji, które rzutują na jej trwałość, bezpieczeństwo oraz komfort użytkowania [3].

Metody naprawy nawierzchni betonowych powinny być dobrane na podstawie odpowiednio zastosowanych metod diagnostycznych służących ocenie właściwości użytkowych nawierzchni.

Przykład usystematyzowanego podejścia do oceny stanu nawierzchni drogowych stanowi wykorzystywany przez GDDKiA System Oceny Stanu Nawierzchni - SOSN [4], [5].

Klasyfikacja uszkodzeń nawierzchni

Uszkodzenia nawierzchni betonowych mogą być rozpatrywane ze względu na różne kryteria. W artykule skupiono się na uszkodzeniach powierzchniowych i strukturalnych, które niewątpliwie stanowią podstawowe grupy uszkodzeń.

Uszkodzenia powierzchniowe

To wady nawierzchni, które dotyczą powierzchni betonu. Mają one znaczenie dla estetyki, komfortu jazdy i trwałości nawierzchni, jednakże nie wpływają bezpośrednio na parametry mechaniczne płyt betonowych. Zalicza się do nich:

• ubytki powstające w wyniku wyłuskania ziarna kruszywa z powierzchni betonu. Najbardziej narażone na wyłuskanie są ziarna otoczakowe ze względu na małe rozwinięcie powierzchni, zwłaszcza jeśli są mocno zapylone [6],
• odpryski ziarna kruszywa, czyli niewielkie zagłębienie w powierzchni betonu o kształcie zbliżonym do stożka, z widocznym najczęściej na jego dnie fragmentem rozłupanego ziarna kruszywa. Powstają, gdy ziarna kruszywa grubego zlokalizowane blisko powierzchni pęcznieją, niszczą i odspajają się wraz z fragmentami przyległej zaprawy. Najczęstszą przyczyną jest brak mrozoodporności kruszywa, np. lekkich ziaren, które wypływają na wierzch podczas wibrowania mieszanki betonowej, gdzie chłoną wodę i szybko ulegają zniszczeniu w wyniku zamrażania,
• kratery powstające na skutek reakcji glinu z wodorotlenkiem wapnia, co prowadzi do wydzielania się lotnego wodoru [7],
• pęknięcia włoskowate - efekt skurczu plastycznego, czyli zmniejszenia objętości wiążącego betonu znajdującego się jeszcze w stanie plastycznym. Skurcz, a w efekcie powstawanie rys wywoływany jest przez szybsze odparowywanie wody z powierzchni świeżego betonu niż jej sączenie z niższych warstw. Kluczową rolę w tym przypadku odgrywa pielęgnacja wilgotnościowa świeżego betonu,
• siatka spękań - może powstawać na skutek drgań wywołanych ruchem, także ruchem technologicznym, wprowadzonym zanim beton osiągnie odpowiednią wytrzymałość. Możliwą przyczyną jest też zbyt intensywne prowadzenie zabiegów wykończeniowych [8], takich jak zacieranie,
• ścieranie - w kontakcie z kołami pojazdów powoduje utratę antypoślizgowej tekstury, a w skrajnych przypadkach koleinowanie. Pojawiają się drobne zagłębienia, w których zbiera się woda. Nadmierne ścieranie się nawierzchni jest związane przede wszystkim z zastosowaniem nieodpowiedniego kruszywa, przy czym zasadnicze znaczenie dla odporności zaprawy ma piasek - jego ścieralność i przyczepność do zaczynu. Ważne jest też, aby kruszywo grube miało odpowiednią odporność na polerowanie [2],
• złuszczanie - polega na odspajaniu fragmentów zaprawy i kruszywa grubego z powierzchni płyty betonowej i prowadzi do powstawania zagłębień, nierówności oraz obniżenia trwałości nawierzchni. Beton łuszczy się pod wpływem działania mrozu i środków odladzających [8],
• odpryskiwanie betonu - to odrywanie się pojedynczych, większych fragmentów materiału z powierzchni płyty. Ma podobne podłoże jak złuszczenie - zazwyczaj działanie mrozu i środków odladzających [8]. Odpryski powstają również jako efekt korozji elektrochemicznej stali zbrojeniowej,
• rdzawe plamy występujące tylko w płytach zbrojonych, spowodowane korozją zbrojenia. Pojawienie się odbarwień często poprzedza odpryskiwanie betonu. Ich wystąpieniu sprzyja zbyt płytko umieszczona siatka zbrojeniowa [8],
• niedostatecznie rozwinięta tekstura, inaczej niedostateczna szorstkość powierzchni - zmniejsza przyczepność kół pojazdów, wpływa na bezpieczeństwo jazdy. Wada ta może być spowodowana błędem wykonawczym - wadliwym teksturowaniem lub nadmiernym ścieraniem się powierzchni betonu w czasie eksploatacji.

W TAB. 1 zestawiono najczęściej występujące uszkodzenia powierzchniowe nawierzchni oraz ich potencjalne przyczyny.

Uszkodzenia strukturalne

Do grupy uszkodzeń strukturalnych należą wady, które znacząco wpływają na geometrię i pracę betonowych elementów nawierzchni, zwłaszcza te, które zaburzają ciągłość płyt i osłabiają przekrój elementu. Do wad strukturalnych zalicza się:

• pęknięcia płyt,
• klawiszowanie,
• degradację szczelin dylatacyjnych,
• wysadzinę,
• degradację wgłębną,
• obrywanie krawędzi,
• rozwarstwienia,
• pustki wewnętrzne,
• spękania przyszczelinowe.

1. Pęknięcia płyt przebiegają przez całą grubość warstwy betonowej i dzielą płytę na zaczynające pracować oddzielnie mniejsze fragmenty. W efekcie w nawierzchni pojawiają się progi obniżające komfort jazdy, a w skrajnych przypadkach przyczyniające się do awarii zawieszenia pojazdów.

W powstałych szczelinach gromadzą się zanieczyszczenia, które wraz z wodą penetrują aż do warstwy podbudowy. Dodatkowo ich krawędzie potęgują efekt niszczenia nawierzchni, ponieważ są podatne na obrywanie.

Wyróżnia się dwa podstawowe typy pęknięć - pęknięcia w narożach i pęknięcia poprzeczne.

Przyczyną pęknięć są zjawiska takie jak:

• 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.

2. Klawiszowanie występuje często w przypadku konstrukcji niedyb­lowanych. Powoduje powstanie poprzecznego progu w nawierzchni [8]. Wpływa negatywnie na komfort jazdy i trwałość zawieszenia pojazdów, a w przypadku różnic poziomu sięgających kilku centymetrów może spowodować awarię pojazdu. Zwiększa również prawdopodobieństwo wystąpienia spękań płyt. Podatność krawędzi na obrywanie przyczynia się do degradacji wypełnienia szczeliny dylatacyjnej.

Klawiszowanie występuje na skutek nierównego podparcia płyt przy krawędziach, spowodowanego niedbałym zagęszczeniem podbudowy, która na skutek obciążenia eksploatacyjnego osiada nierównomiernie, ale najczęstszą przyczyną jest zjawisko "pompowania" hydrodynamicznego [9], czyli wypłukiwanie drobnych frakcji z podbudowy przez wodę pompowaną przez szczelinę dylatacyjną w efekcie dynamicznego obciążania kołami pojazdów [8].

3. Degradacja szczelin dylatacyjnych (np. zmiana geometrii dylatacji) może być wynikiem nadmiernego klawiszowania lub poziomego przemieszczania krawędzi płyt. Prowadzi to do powstania progów, uskoków i nieciągłości, zmniejsza komfort i bezpieczeństwo jazdy, powoduje pogorszenie współpracy krawędzi płyt z materiałem uszczelniającym, co prowadzi do penetracji wody i zanieczyszczeń w głąb dylatacji i do warstwy podbudowy.

W efekcie przestaje ona prawidłowo pracować, płyty betonowe zostają pozbawione swobody odkształceń, co przyczynia się do wystąpienia naprężeń termicznych. Dodatkowo zanieczyszczone szczeliny utrzymują wysoką wilgotność, co przyspiesza korozję mrozową betonu i reakcję alkalia - krzemionka.

4. Wysadzina w przypadku nawierzchni betonowej skutkuje najczęściej klawiszowaniem lub pękaniem płyty ze względu na zmianę warunków podparcia. Uszkodzenie tego typu jest spowodowane wadliwym działaniem dylatacji, ponieważ płyty nie mają swobody odkształceń termicznych i jeśli nie popękają, to w pewnych miejscach zostają wysadzone do góry [10].

5. Degradacja wgłębna to miejscowe lub globalne obniżenie parametrów wytrzymałościowych materiału, występujące, gdy mieszanka betonowa jest układana już po rozpoczęciu procesu wiązania.

6. Obrywanie krawędzi to uszkodzenie typowe dla poprzecznych szczelin dylatacyjnych. Polega ono na odspajaniu się materiału z obrzeża płyty w wyniku korozji lub błędów wykonawczych [7].

7. Rozwarstwienia są wadami polegającymi na niejednorodności betonu na grubości płyty, zaistniałymi na skutek segregacji mieszanki betonowej. Wywołane są niewłaściwym zaprojektowaniem betonu, „poprawianiem” konsystencji przez dodawanie wody lub złym zagęszczeniem – „przewibrowaniem” mieszanki [6].

8. Pustki wewnętrzne, czyli duże pęcherze powietrza zamknięte w betonie, istotnie zmniejszające wytrzymałość materiału, są efektem złego zagęszczania, podczas którego mieszanka betonowa nie została prawidłowo odpowietrzona [6]. Zdarzają się również wtrącenia obce, pochodzące z zanieczyszczeń kruszywa lub dostające się w czasie układania betonu, które miejscowo pogarszają głównie jego wytrzymałość.

9. Spękania przyszczelinowe występują jako spękania w okolicy szczeliny dylatacyjnej, równoległe do niej. Towarzyszy im zabarwienie betonu na ciemny szarobrunatny kolor [8], [11]. Powodują je nasiąkliwe ziarna kruszywa grubego, które poddane wielokrotnemu cyklowi zamrażania–rozmrażania pęcznieją i pękają, przez co przyczyniają się do powstawania w zaczynie cementowym w dolnej części płyty drobnych rys, propagujących do góry, aby po kilku latach pojawić się na powierzchni jako układ drobnych spękań [11].

W TAB. 2 zestawiono najczęściej występujące uszkodzenia strukturalne nawierzchni oraz ich potencjalne przyczyny.

Metody nieniszczące jako narzędzie oceny nawierzchni

Najnowszym osiągnięciem w zakresie pomiaru ugięć nawierzchni jest ugięciomierz laserowy TSD (ang. Traffic Speed Deflectometer) skonstruowany do prowadzenia sieciowych badań nośności nawierzchni, a w szczególności do lokalizacji miejsc o obniżonej trwałości [12].

Specjalne czujniki laserowe dokonują pomiaru różnicy przemieszczeń między punktem obciążonym a nieobciążonym, będących odzwierciedleniem aktualnego ruchu nawierzchni spowodowanego przez poruszającą się ciężarówkę o znanej masie. Dodatkowo zastosowanie techniki Dopplera pozwala na określenie prędkości ugięcia, systemy monitorujące pozycję czujników zapewniają optymalne warunki pomiarowe, a zautomatyzowane pomiary z prędkością dochodzącą do 95 km/h gwarantują szybkie zbieranie danych bez zakłóceń w ruchu drogowym.

Niewątpliwą zaletą ugięciomierza TSD jest również jego budowa oparta na samochodzie ciężarowym z naczepą, którego ruch odpowiada rzeczywistemu zachowaniu pojazdu na drodze, w przeciwieństwie innych urządzeń tego typu.

Obecnie często stosowane w badaniach nawierzchni drogowych są systemy radarowe GPR (ang. Ground Penetrating Radar). Umożliwiają one identyfikację struktur warstwowych konstrukcji drogi, a przede wszystkim określenie grubości poszczególnych warstw i śledzenie ich zmian na wymaganej długości drogi, jak również lokalizację miejsc zmiany układu konstrukcyjnego nawierzchni drogowej [13].

Radar GPR jest urządzeniem bezkontaktowym, wyposażonym w antenę nadawczo-odbiorczą o częstotliwości centralnej ok. 1 GHz oraz średniej głębokości penetracji 60 cm [14]. Antena porusza się nad badaną powierzchnią i emituje fale elektromagnetyczne, a następnie rejestruje sygnały odbite od granicy między obszarami o różnej stałej dielektrycznej [15].

Badania radarem GPR pozwalają na monitorowanie konstrukcji nawierzchni betonowej w sposób ciągły, ocenę rozwarstwień oraz ubytków powierzchniowych, identyfikację spękań i pustek, a także pomiar stopnia zawilgocenia [16].

Popularną metodą badania nawierzchni betonowej jest metoda ultradźwiękowa [13]. Wykorzystuje ona drgania mechaniczne o częstotliwości powyżej 20 kHz. W odniesieniu do nawierzchni betonowej możliwy jest dostęp jedynie z jednej strony, dlatego jej diagnostykę wykonuje się metodą ultradźwiękową pośrednią z głowicami pomiarowymi ułożonymi na jednej płaszczyźnie.

Zgodnie z normą PN-EN 12504-4:2005 [17] w celu wyznaczenia prędkości fali tą techniką wykonuje się serię pomiarów z głowicami odbiorczymi znajdującymi się w różnych odległościach od nadajnika.

Odczytane czasy przejścia impulsu przedstawia się w postaci punktów na wykresie, ilustrującym ich związek z odległością między przetwornikami. Prędkość fali jest zaś obliczana jako tangens kąta nachylenia poprowadzonej możliwie najdokładniej przez te punkty prostej do osi czasu.

Metoda pomiaru prędkości fali podłużnej w praktyce inżynierskiej stosowana jest przede wszystkim do szacowania wytrzymałości nawierzchni betonowej na ściskanie i monitorowania jej zmian w czasie [18].

Coraz większe zastosowanie w ocenie stanu nawierzchni znajdują inne metody NDT:

• impact-echo,
• spektralna analiza fal powierzchniowych
• czy emisja akustyczna [19].

Naprawy powierzchniowe

Ubytki powierzchniowe, miejscowe złuszczenia czy wykruszenia można uzupełniać punktowo przez:

• usunięcie uszkodzonego miejsca (najczęściej przez 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 wówczas, gdy w wyniku błędów wykonawczych nie uzyskano właściwej szorstkości nawierzchni. Cechę tę można poprawić przez:

• piaskowanie lub śrutowanie powierzchni wykonywane przez wystrzeliwanie z dużą prędkością piasku lub śrutu stalowego,
• gridding wodą wykonywany przez natrysk wody pod wysokim ciśnieniem,
• gridding tarczami wykonywany maszyną wyposażoną w głowice z tarczami diamentowymi,
• rowkowanie (grooving) wykonywane mechaniczne za pomocą tarcz diamentowych.

Wyrównanie poziomu płyt i stabilizacja

W efekcie osiadania lub podnoszenia płyt powstaje różnica poziomów.

Jedną z metod naprawy jest podnoszenie płyt i ich stabilizacja przez iniekcję zaczynem cementowym lub spienionym poliuretanem.

Pierwszym etapem jest precyzyjne nawiercenie otworów technologicznych, przez które następnie wpompowywany jest zaczyn cementowy lub spieniony poliuretan.

Iniekcja powinna być wykonywana równomiernie, aby zminimalizować naprężenia mogące doprowadzić do pęknięcia płyty w trakcie jej podnoszenia oraz w celu kontroli ich położenia względem sąsiednich płyt.

Na koniec, po wypełnieniu pustek pod płytą i stabilizacji, otwory technologiczne wypełniane są specjalnymi masami lub żywicami epoksydowymi.

Dyblowanie pionowe ma na celu poprawę współpracy oraz przenoszenia obciążeń sąsiadujących płyt, dodatkowo ogranicza przemieszczanie się płyt.

Dyblowanie poziome ma zaś skutkować przywróceniem odpowiedniej współpracy sąsiednich płyt oraz ograniczeniem wzajemnych przemieszczeń pionowych tych płyt. Frezowanie płyt stosuje się w celu wyrównania poziomu płyt przez sfrezowanie, czyli usunięcie części betonu.

Wymiana płyt

Konieczność wymiany płyt zachodzi wówczas, gdy żadna z wcześniejszych metod naprawy nie gwarantuje uzyskania i spełnienia pożądanej trwałości i właściwości eksploatacyjnych. Wymiana może dotyczyć całości płyt lub tylko 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. 1),
• 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. 2),
• usunięcie wypełnień szczelin dylatacyjnych oraz oczyszczenie krawędzi sąsiadujących płyt,
• wywiercenie nowych otworów w sąsiadujących płytach na kotwy i dyble oraz ich montaż (FOT. 3),
• 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. 4),
• teksturowanie wymienionej powierzchni płyty w celu ujednolicenia z pozostałą częścią nawierzchni, by spełniała wymagania eksploatacyjne,
• 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. Wystarczające jest zastąpienie uszkodzonego fragmentu gotowym elementem prefabrykowanym lub elementem ponownie wykonanym na miejscu.

W artykule pokazano jedynie wybrane, typowe rodzaje napraw nawierzchni betonowych. Oprócz wymienionych, często stosuje się powierzchniowe utrwalanie i odnowę za pomocą cienkich dywaników - zmiana powierzchni wierzchniej warstwy nawierzchni.

Podsumowanie

Świadomość zagrożeń, na jakie narażona jest nawierzchnia, a także sposobów radzenia sobie z nimi pozwalają podejmować przemyślane, kompleksowe działania w tym zakresie. Ponadto zestawienie najczęściej występujących uszkodzeń nawierzchni betonowych ze wskazaniem ich prawdopodobnych przyczyn może stać się przydatne w ocenie i diagnostyce stanu nawierzchni oraz w doborze odpowiedniej metody naprawy.

Artykuł przygotowano w ramach pracy statutowej nr 504P/1088/1407.

Literatura

1. "Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Sztywnych", IBDiM 2001.
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, Concretepavements - classification and causes of damage", Dni Betonu 2015.
4. Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad, "Wytyczne stosowania «Systemu Oceny Stanu Nawierzchni Betonowych – (SOSN-B)»", 2007.
5. Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych Biuro Studiów Sieci Drogowej, Załącznik do Zarządzenia Nr 9 Generalnego Dyrektora Dróg Publicznych z dnia 4 marca 2002 roku "System Oceny Stanu Nawierzchni SOSN Wytyczne Stosowania", Warszawa 2002.
6. M. Urbański, "Typowe uszkodzenia nawierzchni betonowych", Zeszyty Naukowe Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2008.
7. J. Wojtawicki, "Przyczyny powstawania uszkodzeń nawierzchni z betonu cementowego", "Lotnisko", nr 3/2008.
8. "Pavement Surface Evaluation and Rating (PASER) Manual, Concrete Roads", Transportation Information Center, University of Wisconsin-Madison, 2002.
9. A. Kwiecień, "Uszkodzenia betonowych nawierzchni lotniskowych", XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, Szczecin–Międzyzdroje 2009.
10. F. Bautista, I. Basheer, "Jointed Plain Concrete Pavement (JPCP): Preservation and Rehabilitation Design Guide", California Department of Transportation, 2008
11. J. O’Doherty, "D-cracking of Concrete Pavements"; "Materials and Technology Engineering and Science", Michigan Department of Transportation, May 1987.
12. J. Sudyka, T. Mechowski, "Pilotażowe badania porównawcze ugięciomierzy TSD i FWD", "Drogownictwo", nr 5/2012, s. 207–209.
13. R. Sztukiewicz, "Badania nieniszczące konstrukcji nawierzchni drogowej", 34 KKBN, Zakopane 2005, s. 202–209.
14. J. Sudyka, T. Mechowski, P. Harasim, "Nowoczesne metody oceny stanu nawierzchni drogowej", 4th International Conference "Modern Technologies in Highway Engineering", Poznań 2009, s. 206–214.
15. Ł. Drobiec, R. Jasiński, A. Piekarczyk, "Diagnostyka konstrukcji żelbetowych", t. 1, PWN, Warszawa 2010.
16. T. Saarenketo, T. Scullion, "Road evaluation with Ground Penetrating Radar", "Journal of Applied Geophysics" 43, s. 119-138.
17. PN-EN 12504-4:2005, "Badania betonu. Część 4: Oznaczanie prędkości fali ultradźwiękowej".
18. R. Sztukiewicz, P. Rydzewski, "Obserwacje zmian charakterystyk ultradźwiękowych w nawierzchni z betonu cementowego", Konferencja Naukowa "Aktualne problemy nawierzchni lotniskowych", Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Warszawa 1992, s. 148–152.
19. J. Hoła, J. Bień, Ł. Sadowski, K. Schabowicz, "Non-destructive and minor-destructive diagnostics of concrete structures in assessment of their durability", "Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences", nr 63/2015.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!