Uzupełnieniem dotychczasowych sposobów wykonywania połączeń w budownictwie jest Metoda Złączy Podatnych (MZP) rozwijana w Instytucie Mechaniki Budowli Politechniki Krakowskiej. Jej celem jest zabezpieczenie i naprawa pękniętych konstrukcji poddanych głównie obciążeniom dynamicznym i termicznym. Ta innowacyjna metoda naprawy polega na wypełnianiu pęknięć w konstrukcji specjalnie dobraną masą polimerową trwale sprężysto-plastyczną, cechującą się dużą odkształconością i specjalnie dobranymi parametrami wytrzymałościowymi. Skleja ona elementy konstrukcyjne rozdzielone pęknięciem, wprowadzając w złączu nową wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie i ścinanie, przy zachowaniu nowo powstałej równowagi sił w uszkodzonym elemencie, wynikającej z redystrybucji naprężeń.



Mat. źródłowy
ANALIZA PRACY PĘKNIĘTYCH NAWIERZCHNI BETONOWYCH PŁYT LOTNISKOWYCH

Dr inż. Arkadiusz Kwiecień,
Mgr. inż. Bogusław Zając
Instytut Mechaniki Budowli, Politechnika Krakowska
Prof. Dr hab. Inż. Włodzimierz Czyczuła,
Mgr. inż. Dariusz Kudła
Instytut Inżynierii Drogowej i Kolejowej, Politechnika Krakowska

Swobodne płyty lotniskowe, z których wykonuje się nawierzchnie drogowe i lotniskowe, są poddane działaniu zmiennych pól termicznych. Działanie te można podzielić na długotrwałe, związane z wahaniami temperatury w rocznym cyklu zima-lato-zima, średniotrwałe wynikające z kilkudniowych zmian warunków pogodowych oraz działania krótkotrwałe pochodzące od zmian termicznych w cyklu dobowym (głównie od zmian nasłonecznienia). Zmiany temperatury wywołują w takich płytach zmianę objętości, przy czym w przypadku równomiernego oddziaływania na całej grubości płyty powstają odkształcenia osiowe, natomiast przy nierównomiernym rozkładzie temperatur dochodzi do jej wygięcia. W ujęciu teoretycznym, gdy płyta jest traktowana jako swobodna i nieważka, zmiany termiczne nie powodują naprężeń wewnątrz płyty. W rzeczywistym przypadku, gdy płyta nie może się swobodnie odkształcać w wyniku działania ciężaru własnego, tarcia o podłoże lub skrępowania sąsiednimi płytami, pojawiają się w płycie naprężenia od temperatury. Sumowanie się tych naprężeń z naprężeniami pochodzącymi od dodatkowych obciążeń, np. nierównomiernego osiadania, nacisku koła samolotu lub ciężarówki, może doprowadzić do powstania uszkodzeń w płytach w postaci zarysowań i pęknięć. W wyniku cyklicznego działania zmiennych pól obciążenia dochodzi do powiększania się stopnia uszkodzenia, co często prowadzi do konieczności wyłączenia takiego elementu z eksploatacji.

Naprawa uszkodzonych płyt betonowych


Mechanizm powstawania uszkodzeń w płytach lotniskowych

Układ swobodnych płyt betonowych budujących nawierzchnię realizowany jest zazwyczaj przez wylanie ciągłej płyty, która następnie jest w równych odstępach nacinana na powierzchni przy użyciu specjalnych pił. Zabieg ten ma na celu wywołanie kontrolowanego pęknięcia, którego przyczyną jest skurcz betonu. Na przykład dla naciętej płyty lotniskowej o wymiarach 5x5 m wielkość skurczu (określona w oparciu o pracę i obserwowana w naturze) powoduje powstanie około trzymilimetrowego rozwarcia szczeliny. Przy niewłaściwym zaprojektowaniu szczeliny dyletacyjnej oraz wylewaniu betonu przy niskich temperaturach może dochodzić do sytuacji, w której rozwarcie szczeliny w wyniku skurczu betonu nie kompensuje przemieszczenia wywołanego termicznym rozszerzeniem płyt (np. zamykanie się szczeliny dylatacyjnej, zaobserwowane na lotnisku w Balicach, wyniosło 5 mm przy zmianie temperatury betonu o 45 stopni). W takim przypadku wzajemny docisk górnych krawędzi płyty wywołuje powstawanie naprężeń niszczących, wprowadzających dodatkowe momenty zgniatające w płycie (od siły poziomej na krawędzi płyty działającej na mimośrodzie) oraz powodujących wykruszanie się betonu. Należy dodać, że w wyniku oddziaływania dobowych zmian temepatury płyta ulega odkształceniu, co w znaczący sposób zmienia w płycie rozkład naprężenia od ciężaru własnego. Sumowania w/w naprężeń z naprężeniami wywołanymi naciskami koła samolotu doprowadza do uszkodzeń tj. pęknięcia powierzchni.

Zabiegi zabezpieczające przy użyciu bitumicznych mas zalewowych

Do najbardziej popularnych metod naprawy lub wzmocnień uszkodzonych nawierzchni betonowych należą uszczelnianie szczelin i pęknięć, odnowa za pomocą cienkich dywaników bitumicznych, wzmacnianie powierzchni warstwami z betonu asfaltowego lub cementowego oraz dyblowanie. Uszczelnianie szczelin i pęknięć ma na celu zabezpieczenie podbudowy lub podłoża przed wodą oraz niedopuszczenie do klinowania się ziaren kruszywa w szczelinach. Wykorzystuje się w tym celu masy zalewowe, z reguły wykonane z mas bitumicznych.

Niestety, materiały bitumiczne nie zapewniają prawidłowego uszczelnienia  w dłuższym okresie, gdyż  ulegają degradacji termicznej i mechanicznej. W lecie pod wpływem wysokich temperatur bitum wypływa ze szczelin lub jest z nich wyciskany przez rozszerzające się elementy betonowe. Natomiast w zimie, pod wpływem niskich temperatur staje się kruchy i łatwo pęka pod obciążeniem. Złącze wykonane z bitumu jest tylko uszczelnieniem, które nie posiada żadnej wytrzymałości mechanicznej pozwalającej na łączenie elementów betonowych i przenoszenia obciążeń. Szczelina „zabezpieczona” masą bitumiczną wymaga wymiany po kilkuletnim okresie eksploatacji i w żaden sposób nie powstrzymuje dalszej destrukcji uszkodzonej płyty betonowej.

Naprawa pęknięć podatną masą polimerową

Uzupełnieniem dotychczasowych sposobów wykonywania połączeń w budownictwie jest Metoda Złączy Podatnych (MZP) rozwijana w Instytucie Mechaniki Budowli Politechniki Krakowskiej (zgłoszenie patentowe Nr P-368173). Jej celem jest zabezpieczenie i naprawa pękniętych konstrukcji poddanych głównie obciążeniom dynamicznym i termicznym. Ta innowacyjna metoda naprawy polega na wypełnianiu pęknięć w konstrukcji specjalnie dobraną masą polimerową trwale sprężysto-plastyczną, cechującą się dużą odkształconością i specjalnie dobranymi parametrami wytrzymałościowymi. Skleja ona elementy konstrukcyjne rozdzielone pęknięciem, wprowadzając w złączu nową wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie i ścinanie, przy zachowaniu nowo powstałej równowagi sił w uszkodzonym elemencie, wynikającej z redystrybucji naprężeń.
Szczegółowy opis metody złączy podatnych wraz z założeniami oraz opis właściwości polimeru i zachowania złącza pod obciążeniami statycznymi i dynamicznymi, uzyskany z badań laboratoryjnych i na obiektach rzeczywistych, można znaleźć w pracach [4], [5], [6].
Korzystne cechy polimeru były obserwowane w złączu podatnym zastosowanym przy pilotażowej naprawie pasa kołowania, uszkodzonego w wyniku osiadania, spowodowanego niewłaściwym odwodnieniem. Zastosowano nacięcie pęknięcia na głębokość 3 cm, które następnie wypełniono masą polimetrową sprężysto-plastyczną. Złącze to, pracując w wysokiej temperaturze (temperatura powierzchni betonu wynosiła +55oC), nie ulega destrukcji pod wpływem nacisku termicznie odkształcających się płyt, natomiast bitum w tych warunkach ulegał wyciśnięciu spomiędzy płyt.

Korzystne cechy polimerowego złącza podatnego, zastosowanego do napraw płyt lotniskowych na wojskowej części lotniska w Balicach, skłoniły autorów niniejszej pracy do wykonania próbnego sklejenia pękniętej płyty lotniskowej na płaszczyźnie kołowania. Wybrano płytę silnie obciążoną przejazdami samolotów (kilkadziesiąt razy w ciągu doby) i naprawiono ją przy użyciu masy polimerowej.

Wybrane pęknięcia oraz szczeliny dylatacyjne wokół płyty zostały nacięte i wypełnione masą polimerową. W celu określenia skuteczności nowatorskiej metody naprawy przeprowadzono porównawcze dobowe pomiary zmian szerokości rozwarcia szczelin i zmian ugięć płyty sklejonej polimerem oraz płyty otoczonej uszczelnieniem bitumicznym.

Opis przeprowadzonych badań w cyklu dobowym


Pomiary przemieszczeń pionowych i poziomych na powierzchni płyt betonowych o wymiarach 5x5m, stanowiących wierzchnią warstwę płaszczyzny kołowania o grubości 22 cm, ułożoną na podbudowie betonowej z poślizgową przekładką asfaltową, zostały przeprowadzone w ciągu 24 godzin w dniach 11-12.10.2006. Odczyt prowadzono co 1,5 godziny, począwszy od godziny 10.30. Warunki pogodowe były stabilne z bezchmurnym niebem i wahaniami temperatury powietrza od +7,5 oC o godzinie 10.30 do +30 oC o godzinie 12.30. Do pomiarów porównawczych wybrano płyty, które nie oddziaływały między sobą. Porównanie przeprowadzono dla płyty nieuszkodzonej i naprawionej polimerem. Do pomiarów na płycie naprawionej wybrano narożnik zlokalizowany w nieuszkodzonej ćwiartce płyty sklejonej polimerem, którego zachowanie pod wpływem działania termicznego jest tożsame z zachowaniem ćwiartki płyty nieuszkodzonej.

Na powierzchni płyt zostały zainstalowane bazy tensometrii mechanicznej dla pomiaru zmian rozwartości szczelin przy użyciu miernika zegarowego DEMEC o bazie pomiarowej 4 cale. Pomiar wykonywany był w oparciu o bazy pomiarowe zainstalowane po obu stronach szczeliny dylatacynej prostopadłe do niej. Dokładność odczytu wynosiła 0,01 mm. Odczyty rejestrowana były na 53 bazach pomiarowych, spośród których do analizy porównawczej wybrano cztery zlokalizowane w narożniku płyty sklejonej polimerem (oznaczone numerami 1 i 25 oraz narożniku płyty uszczelnionej bitumem.

Pomiary przemieszczeń pionowych wykonano przy użyciu niwelacji precyzyjnej. Jako bazę do pomiarów wykorzystano repery geodezyjne, które zostały zainstalowane w zagłębiach na powierzchni płyt betonowych. Zainstalowano po 3 repery na połówkach przekątnej płyty nieuszkodzonej (oznaczone numerami p18, p19, p20) i naprawionej polimerem (oznaczonej numerami – p13, p14, p16). Dokładność odczytu układu pomiarowego wynosiła 0,05 mm.
Równoległe mierzono temperaturę betonu na powierzchni płyty i wewnątrz płyty na głębokości 16 cm.

Wyniki przeprowadzonych pomiarów geodezyjnych pionowych przemieszczeń płyt, wywołanych dobowymi zmianami temperatury oraz zmienną intensywnością nasłonecznienia, potwierdziły obserwacje zamieszczone w pracy [3]. Pod wpływem silnego nasłonecznienia w dzień płyta betonowa odkształcała się unosząc część środkową na narożnikach odgiętych w kierunku podłoża. Natomiast w nocy płyta osiada na podłożu częścią środkową unosząc narożniki.

Porównanie wielkości przemieszczeń pionowych zarejestrowanych w przypadku płyty sklejonej polimerem oraz płyty nieuszkodzonej (uszczelnionej na obwodzie masą bitumiczną) pokazało, że polimer pozwala na odkształcanie się płyt pod wpływem zmiennych pól termicznych, ograniczając jednak ich wielkość do 42-57% wartości przemieszczeń zarejestrowanej na płycie nieuszkodzonej. Ograniczenie to wprowadza w płycie nieznaczne naprężenia ściskające równomiernie rozłożone wzdłuż krawędzi, ale równocześnie zapewnia pełniejszy kontakt z podłożem, co jest korzystne zwłaszcza w przypadku obciążenia kołem samolotu. Podatne połączenie płyt polimerem uciąga układ konstrukcyjny, powodując częściowe rozłożenie na sąsiednie płyty obciążenia działającego na narożnik jednej z nich, co w istotny sposób zmniejsza poziom naprężenia w przekroju krytycznym (odłamywanie się narożnika płyty).

Podobnie jak w przypadku przemieszczeń pionowych, ograniczeniu ulegają także przemieszczenia poziome, które mierzono jako zmiany rozwartości szczelin dyletacyjnych (...).

Wielkość przemieszczeń poziomych zarejestrowane w przypadku płyty sklejonej polimerem są mniejsze od przemieszczeń uzyskanych dla płyty nieuszkodzonej (uszczelnionej na obwodzie masą bitumiczną). Polimer pozwala na poziome odkształcanie się płyt pod wpływem zmiennych pól termicznych, ograniczając jednak ich wielkość szczytową (peak to peak) do średnio 52-53% wartości przemieszczeń zarejestrowanej na płycie nieuszkodzonej.  Ograniczenie to jest różne dla procesu ściskania i rozciągania. Przy ściskaniu polimer ogranicza przemieszczenia do 45%, a przy rozciąganiu do 66% wartości zmiany rozwarcia szczeliny dylatacyjnej wypełnionej bitumem.

Po zakończeniu pomiarów termicznych zmierzono wpływ, jaki ma obciążenie kołem samolotu na płytę sklejoną polimerem. Obciążenie zrealizowano przez postwienie na środku płyty na 3 minuty głównej goleni samolotu B 737-400, generującej siłę pionową o wartości 300 kN. Zmiany przemieszczeń poziomych rejestrowano tuż przed i zaraz po obciążeniu samolotem. Otrzymane różnice, mieszczące się w granicach błędu pomiarowego, pokazują, że naprawa popękanej płyty masą polimerową zabezpiecza płytę przed trwałymi odkształceniami związanymi z nierównomiernym rozkładem obciążenia.

Praca płyt naprawianych polimerem w cyklach letnio-zimowych.


Podobnie jak w przypadku zmian termicznych monitorowanych w pomiarze dobowym, obserwuje się także ograniczenie przemieszczeń poziomych mierzonych w okresie występowania ekstremalnych temperatur w zimie i w lecie (...). Wielkości przemieszczeń poziomych zarejestrowane na płycie slejonej polimerem są podobne jak poprzednio, mniejsze od przemieszczeń uzyskanych dla płyty nieuszkodzonej (uszczelnionej na obwodzie masą bitumiczną). Polimer pozwala na poziome odkształcanie się płyt pod wpływem zmiennych pól termicznych, ograniczając jednak ich wielkość szczytową (peak to peak) do średnio 50% wartości przemieszczeń zarejestrowanej na płycie nieuszkodzonej. Wyraźnie widoczne są różnice w zachowaniu złącza polimerowego w zimie i w lecie. Gdy płyty ulegają rozszerzeniu pod wpływem wysokich temperatur, polimer kompensuje w swojej objętości odkształcenia ściągające, a wielkości przemieszczeń są porównywalne z tymi rejestrowanymi na dyletacjach wypełnionych masą bitumiczną. Gdy płyty ulegają skróceniu pod wpływem niskich temperatur, polimer ogranicza odkształcenia rozciągające powodując, że wielkości przemieszczeń są znacząco mniejsze w porównaniu z tymi rejestrowanymi na dyletacjach wypełnionych masą bitumiczną.

Przytoczone powyżej obserwacje potwierdzają także badania polimerowych złączy podatnych przeprowadzone na płycie postojowej wojskowych samolotów transportowych (opisane w pracy [4]). Badaniu poddano pękniętą płytę nawierzchni lotniskowej o wymiarach 4x4 mi grubości 23 cm, wykonaną z betonu niskiej jakości (beton ponad 30-letni), swobodnie leżącą na podłożu gruntowym. Uszkodzona płyta w miejscach pęknięć oraz na całym swoim obwodzie została przecięta na pełną wysokość, a powstała szczelina, po oczyszczeniu, wypełniona masą polimerową sprężysto-plastyczną.

W celu prowadzenia kontroli zmian rozwartości dylatacji pod wpływem zmiany temperatury zainstalowano na krawędziach dylatacji bazy tensometrii mechanicznej. Przez ponad półtora roku rejestrowano zmiany szerokości dylatacji na szczelinach wypełnionych bitumem i polimerem oraz towarzyszące im zmiany temperatury powietrza. Zmiany zarejestrowano w zakresie temperatur od -25 oC do +45oC.

Przykładowe wyniki przedstawiono dla bazy nr 2 (masa bitumiczna) oraz dla bazy nr 3 (masa polimerowa). Masa bitumiczna plastycznie poddaje się zmianom szerokości szczeliny, nie wprowadzając żadnych naprężeń w płytach. Porównanie wyników obserwacji baz 2 i 3 pokazuje, że w okresie lata szczeliny wypełnione bitumem i polimerem zamykają się w podobnym stopniu, co świadczy o prawidłowym zachowaniu polimeru jako podatnego wypełniacza dylatacji. Z kolei w okresie zimowym szczeliny wypełnione bitumem ulegają znacznemu rozwarciu, powodując zerwanie przyczepności bitumu do betonu i tym samym dopuszczając do penetracji wody pod płyty nawierzchni.

Odmiennie pracuje złącze polimerowe, które zachowuje się podobnie jak w przypadku opisanym dla płyty kołowania. Ulega ono nieznacznemu rozciągnięciu pod wpływem działania niskich temperatur i spowodowanych nimi odkształceń płyt, zachowując jednocześnie szczelność połączenia i wprowadzając nieznaczne siły w płytach ograniczające ich rozchodzenie się. Z kolei pod wpływem wysokich temperatur polimer nie ogranicza odkształceń termicznych płyt i pozwala na zamykanie szczelin dylatacyjnych.