Izolacje z pap asfaltowych na mostach

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.

Materiały stosowane w nawierzchniach drogowych w latach 90

W latach 90. XX w. stosowano przede wszystkim izolacje papowe – prawie wyłącznie papy termozgrzewalne, w których masę powłokową stanowiły polimeroasfalty z udziałem SBS lub APP (ataktyczny polipropylen).

Papy te, mimo produkowania przez różnych producentów, miały identyczny materiał wzmacniający (osnowę), pochodzący od tego samego dostawcy. Była to (i jest w dalszym ciągu) tkanina poliestrowa.

Za zastosowaniem izolacji papowych tego typu przemawiają następujące zalety:

• niski ciężar 1 m² izolacji nie powoduje nadmiernego obciążenia płyty pomostowej ciężarem własnym,
• wysoka kohezja masy powłokowej, wynikająca z zastosowania asfaltu modyfikowanego polimerem, i obecność osnowy poliestrowej charakteryzującej się obok wysokiej wytrzymałości na rozciąganie również zdolnością do znacznych odkształceń, zapewniają dobrą zaporę dla wilgoci i roztworów soli (mieszanki odladzające) zagrażających płycie pomostu.

Papy asfaltowe modyfikowane stosowane jako warstwy izolacyjne obiektów mostowych na rynku polskim składają się z osnowy z włókniny poliestrowej o gramaturze 250 g/m² (180 g/m²) przesyconej i powleczonej obustronnie masą polimeroasfaltową. Dolna powierzchnia papy zabezpieczona jest przed sklejeniem w rolce cienką, przezroczystą folią polietylenową, która ulega stopieniu w wyniku ogrzewania płomieniem palnika gazowego w trakcie układania papy. Górna powierzchnia zabezpieczona jest przed sklejeniem posypką mineralną.

Papy te przeznaczone są do wykonywania jednowarstwowych izolacji przeciwwodnych na betonowych (stalowych) obiektach mostowych, przede wszystkim na płytach pomostów, po których odbywa się ruch pojazdów mechanicznych. Układa się je przez przyklejenie na wcześniej zagruntowanym podłożu. Papy te nie wymagają dodatkowych warstw ochronnych, a wykonanie nawierzchni powinno odbyć się w jak najkrótszym terminie po ułożeniu papy. Po prawie 10-letnim okresie eksploatacji nawierzchni asfaltowych z warstwą izolacyjną w postaci papy bitumicznej modyfikowanej można wysnuć pewne wnioski dotyczace przydatności technicznej i trwałości takich nawierzchni. Okazuje się, że w tej technologii dużą rolę odgrywają warunki klimatyczno-pogodowe panujące podczas klejenia papy do podłoża betonowego.

Konsekwencje techniczne pojawiają się zwłaszcza wówczas, gdy papy układa się na wilgotnym podłożu (na wilgotnym betonie w wyniku zabiegów technologicznych lub z powodu opadów atmosferycznych). W takiej sytuacji, zwłaszcza w gorącej porze letniej, tworzą się bąble (skupiska) pary wodnej, przenoszące się dalej w górne warstwy nawierzchni bitumicznej, co może powodować trwałe odkształcenia warstwy ścieralnej nawierzchni i brak szczepności warstwy izolacyjnej z płytą pomostu.

Takich zjawisk nie obserwuje się na moście Cłowym w Szczecinie, gdzie zamiast modnej izolacji z papy zastosowano specjalnie zaprojektowany mastyks wysokogrysowy. Remont tego mostu odbył się latem 1998 r. według technologii opracowanej przez autora i pod jego nadzorem. Opierał się głównie na materiałach asfaltowych i mineralno-asfaltowych. Polegał na całkowitym usunięciu istniejących warstw nawierzchni wraz z warstwą izolacyjną.

W trakcie tych prac stwierdzono, obok uszkodzeń warstw nawierzchniowych, brak przyczepności masy asfaltowej do izolacji z tworzywa syntetycznego, występowanie wody nad izolacją oraz pomiędzy jej warstwami (epoksydową i poliuretanową) oraz degradację betonu zarówno pod krawężnikami (w wyniku ciągłego zalegania wody), jak i innych miejscach płyty. Po zerwaniu starej nawierzchni podłoże betonowe zostało dokładnie oczyszczone, miejsca ubytków uzupełnione masami reprofilującymi cementowo-polimerowymi. Po tym zabiegu powierzchnię płyty zagruntowano asfaltem o penetracji 40/60, modyfikowanym 5-proc. ilością elastomeru LBSK 4555 B (lateks butadieno-styreno-karboksylowy) na gr. ok. 3 mm.

Proces przygotowania lepiszcza odbywał się w kotle do asfaltu lanego typu „reiser”. Warstwę sczepno-izolacyjną wykonano z mieszanki mineralno-asfaltowej SMA # 0/8 mm o grubości 2,0 cm i wolnej przestrzeni na poziomie ok. 0,5% (m/m). Stabilizację asfaltu na ziarnach kruszywa uzyskano przez zastosowanie znacznych ilości elastomeru LBSK 4555 B w asfalcie (ok. 4% suchej masy w stosunku do asfaltu). Proces zagęszczania MMA prowadzono do momentu pojawienia się lepiszcza asfaltowego na powierzchni warstwy. Dawało to pewność uzyskania pełnej szczelności warstwy przy odpowiedniej odporności na deformacje trwałe w wyniku zastosowania w masie ok. 75% frakcji grysowych.

Dwie kolejne warstwy, tj. wiążąca (ochronna) i ścieralna, wykonane zostały jako mieszanki typu beton asfaltowy o uziarnieniu BA # 0/12,8 mm o zwiększonej odporności na deformacje trwałe i parametrach jak dla warstw ścieralnych. Grubości obu warstw wyniosły ok. 4,0 cm. Na nitce wjazdowej do Szczecina beton asfaltowy warstwy ścieralnej zmodyfikowano elastomerem LBSK 4555 B w ilości 2% w stosunku do ilości lepiszcza. Podyktowane to było większym udziałem w ruchu pojazdów ciężkich. Całość konstrukcji nawierzchni przedstawiono na rys. 5.

Do chwili obecnej obiekt ten znajduje się w bardzo dobrym stanie technicznym, mimo że w okresie budowy mostu Nowocłowego poza ruchem normalnym przejmował również ruch technologiczny, związany z budową nowych obiektów inżynierskich.

Nietypową inwestycją, m.in. ze względu na liczbę warstw konstrukcyjnych nawierzchni, był most stalowy w Dziwnowie, którego remont prowadzono w 1994 r. Wynikało to z charakteru pracy przęsła obiektu (most zwodzony) i konieczności zastosowania jak najlżejszej konstrukcji (odciążenie płyty pomostu). Zastosowana została jedna warstwa z mieszanki mastyksowo-grysowej modyfikowanej 8% LBSK (w stosunku do ilości asfaltu) o składzie pośrednim między asfaltem lanym i mieszanką SMA o uziarnieniu # 0/11 mm.

Produkcja masy odbywała się w kotle do asfaltów lanych typu „rei ser”. Mieszankę w temperaturze ok. 200ºC rozkładano na płytę pomostu (stalową), zabezpieczoną powłoką antykorozyjną. Dodatkowo na płycie pomostu naspawano pręty stalowe, żebrowane, o średnicy 16 mm, jako zabezpieczenie przed przesunięciami mieszanki pod wpływem ruchu i usytuowania przęsła oraz uzyskanie lepszego połączenia z płytą stalową. Grubość wbudowanej mieszanki mastyksowo-grysowej wynosiła 3,0 cm (nad prętami tylko 1,4 cm). Do chwili obecnej obiekt i nawierzchnia pracują bezusterkowo.

Podsumowanie

Właściwe wykonawstwo warstwy izolacyjnej, niezależnie od rodzaju, daje gwarancje bezusterkowego użytkowania całej konstrukcji nawierzchni.

Zapewnia również odpowiednią trwałość płyty pomostu oraz dobre połączenie z warstwami nawierzchni.

Coraz lepszej jakości papy asfaltowe modyfikowane oprócz zabezpieczenia przed szkodliwymi oddziaływaniami środowiska relaksują (przynajmniej częściowo) naprężenia indukowane termicznie oraz w wyniku wtopienia się lepiszcza z papy w spód warstw nawierzchniowych, a także te pochodzące od ruchu pojazdów samochodowych.

Prawidłowe ułożenie izolacji z papy zapewnia skuteczność jej pracy w długim okresie użytkowania.

Dozór technologiczny powinien odbywać się nie tylko na etapie klejenia papy, lecz także w trakcie rozkładania mieszanki mineralno-asfaltowej. Wtedy właśnie można usunąć wszelkie niedociągnięcia związane ze sczepnością papy z podłożem, dające gwarancje dobrej współpracy między materiałami.

Literatura

1. R. Kilarski, „Analiza i ocena materiałów hydroizolacyjnych na pomosty obiektów mostowych”, Prace IBDiM, Warszawa 1996.
2. B. Stefańczyk, P. Mieczkowski, „Zastosowanie polimeroasfaltów w budowlanych materiałach izolacyjnych”, Wydawnictwo Informacji Zawodowej WEKA Sp. z o.o., „Błędy i uszkodzenia budowlane oraz ich usuwanie”, Warszawa 2002.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!