09 Kwiecien a Uszkodzenia Betonowych Nawierzchni Lotniskowych

XXIV awarie budowlaneXXIV Konferencja Naukowo-Techniczna Szczecin-Midzyzdroje, 26-29 maja 2009

Dr in. ARKADIUSZ KWIECIE Instytut Mechaniki Budowli, Politechnika Krakowska

USZKODZENIA BETONOWYCH NAWIERZCHNI LOTNISKOWYCHDAMAGES OF AIRFIELDS PAVEMENTS MADE OF CONCRETE

Streszczenie W pracy zostay opisane wybrane uszkodzenia betonowych nawierzchni lotniskowych i omwione przyczyny ich powstania. Najpowaniejsze uszkodzenia, zagraajce statkom powietrznym, powstaj z reguy w wyniku naoenia si rnych czynnikw. Nale do nich: lokalny docisk elementw nawierzchni wywoany obcieniami termicznymi i eksploatacyjnymi, nieszczelno nawierzchni powodujca destrukcj podoa przez wody powierzchniowe oraz bdy technologiczne i wykonawcze. Nieskuteczno i ograniczenia niektrych sposobw naprawy byy inspiracj podjcia prac nad wdroeniem na lotniskach polimerowych zczy podatnych. Abstract In the paper, damages of airfield pavements made of concrete with reasons of their appearance were discussed. The most important damages dangerous for airplanes appear typically as a sum of different factors. There are: an action of stress concentrations caused by thermal and exploitation loads, leak of pavements causing a destruction of the support by water, technology and executive mistakes. Inefficacy and limitations of some kinds of repair methods were an inspiration of works on the introduction of a polymer joints on airfields.

1. Wstp Nawierzchnie betonowe nale do sztywnych ukadw konstrukcyjnych, wykorzystywanych w budowie lotnisk, drg i autostrad oraz posadzek w halach przemysowych. Stosowane s zwaszcza tam, gdzie wystpuj due obcienia i wymagana jest odporno na odksztacenia trwae. Zachowaniu tych nawierzchni i problemom zwizanym z ich eksploatacj powicono w ostatnim czasie wiele uwagi [1], [2], [3], [4]. W pracach [1], [3], [4] omwiono w sposb wyczerpujcy zagadnienia zwizane z uszkodzeniami i napraw posadzek z betonu cementowego. Nale one do elementw konstrukcyjnych, ktre z reguy s wykonywane pod przykryciami dachowymi i raczej rzadko s naraone na destrukcyjne dziaanie czynnikw atmosferycznych. Niemniej jednak, posadzki te mog by naraone na dziaanie ekstremalnych temperatur i rodkw chemicznych, zwizanych z dziaalnoci eksploatacyjn [5]. Z dziaaniem czynnikw atmosferycznych, aktywujcych destrukcj nawierzchni betonowych mamy do czynienia na szlakach komunikacyjnych (nawierzchnie drogowe, torowiska tramwajowe) oraz na lotniskach [2]. Nawierzchnie te podlegaj ponadto cikim i bardzo cikim klasom obcienia [3]. Rwnoczesne dziaanie obcienia eksploatacyjnego i niekorzystnych czynnikw atmosferycznych jest powodem generowania uszkodze nawierzchni betonowych, ktrych intensywno podlega ocenie, a ta z kolei stanowi podstaw podjcia decyzji o remoncie [6], [7]. Nawierzchnie lotniskowe nale do grupy budowli najsilniej obcionych dziaaniem cyklicznie zmiennych (dobowo i rocznie) pl termicznych i wystpujcych okresowo wd

Materiaowe aspekty awarii, uszkodze i napraw

opadowych (generujcych destrukcj podoa gruntowego) oraz podlegajcych statycznym i dynamicznym obcieniom zmiennym. Te ostatnie pochodz od ldujcych i koujcych statkw powietrznych, przekraczajcych nierzadko mas 200 ton. Pasy startowe, drogi koowania i paszczyzny postojowe s pod wzgldem nonoci okrelane klas PCN, w ktrej podstaw klasyfikacji jest ocena sztywnoci nawierzchni lotniskowej. Jest ona porwnywana z klas ACN ldujcego statku powietrznego [7], generujcego siy dynamiczne dziaajce na swobodnie podparte na podou sprystym pyty betonowe. Ujcie modelowe tego zagadnienia, pozwalajce okreli odksztacenia pyt nawierzchni, przedstawiono w pracy [8], a teoretyczne ujcie obcie statycznych dziaajcych na pyty swobodnie podparte na podou sprystym zamieszczono w pracach [2, 3]. W betonowych nawierzchniach z betonu cementowego odnotowuje si wiele rodzajw uszkodze spowodowanych pojedynczymi lub zoonymi przyczynami [9]. Wiele z nich ma charakter i uwarunkowania wystpienia podobne do tych opisanych w pracach [1, 2, 4], std w niniejszej pracy zaprezentowano i skomentowano jedynie wybrane rodzaje uszkodze oraz przyczyny ich powstania, stwarzajce zagroenie dla bezpieczestwa ruchu lotniczego. 2. Konstrukcja nawierzchni betonowych i jej uwarunkowania eksploatacyjne Do najbardziej popularnych betonowych nawierzchni lotniskowych wykonywanych w Polsce nale ukady dwuwarstwowe z warstw polizgow, wykonywane jako pyta ciga z naciciami skurczowymi. Nacicia te wykonuje si w wieo uoonym betonie na szeroko 510 mm i na gboko kilku centymetrw, najczciej w module 55 m. W wyniku skurczu betonu [2] dochodzi do pknicia pyty cigej na regularny ukad pyt pojedynczych, pracujcych jako swobodnie podparte na podou sprystym. Dalszy skurcz powoduje rozwarcie si nowoutworzonych pkni do poziomu ok. 3 mm (przy module nacicia 55 m). Powstae pomidzy pytami szczeliny uszczelnia si, aby zabezpieczy konstrukcj i jej podbudow przed penetracj wody opadowej i rodkw chemicznych ochrony lotnisk, ktrych dziaanie powoduje destrukcj podoa. Typowo stosowanym materiaem uszczelniajcym s masy bitumiczne. Prawidowo zaprojektowana i wykonana nawierzchnia betonowa nie powinna ulega przedwczesnym uszkodzeniom, jednak jak pokazuj obserwacje, wystpowanie uszkodze na nawierzchniach lotniskowych w Polsce jest zjawiskiem powszechnym. W wikszoci przypadkw za ich powstanie odpowiada naoenie si dziaa destrukcyjnych. Z jednej strony, jednoczesne efekty dziaania negatywnych czynnikw nie zawsze s uwzgldnione w pracach projektowych, ale z drugiej w znaczcej iloci przypadkw powstanie uszkodze wynika z bdw wykonawczych (technologicznych) lub eksploatacyjnych. Przy uszkodzonych nawierzchniach lotniskowych do standardowo realizowanych zada sub technicznych zabezpieczenia lotniska (odnieanie, odladzanie) dochodzi dodatkowo usuwanie skutkw pkni w postaci wykruszonych fragmentw betonu (rys. 1a). Fragmenty te stanowi bezporednie zagroenie dla statkw powietrznych, gdy zassanie ich do silnika samolotu moe spowodowa katastrof lotnicz lub w najlepszym razie kosztown napraw. Innym zagroeniem s uskoki przekraczajce kilkanacie milimetrw wysokoci, wystpujce na krawdziach szczelin dylatacyjnych lub w miejscu pknicia. Powstaj one w wyniku klawiszowania ssiednich pyt lub ich uszkodzonych fragmentw, a utworzone progi o wysokoci 23 cm powoduj powstanie niebezpieczestwa dla ruchu koowego (rys. 1b) i std musz by eliminowane z powierzchni nawierzchni lotniskowej. Przedstawione przykady uszkodze nie powstaj w sposb nagy, lecz s pochodn dziaania procesw destrukcyjnych rozoonych w czasie, ktrych mechanizm jest najczciej zoony.

482

Kwiecie A.: Uszkodzenia betonowych nawierzchni lotniskowych

a)

b)

Rys. 1. Wystpujce na krawdzi pyty lotniskowej wykruszone (lune) fragmenty betonu (a) i uskok (b)

3. Efekt koncentracji napre w skali makro Jedn z najczstszych przyczyn wystpowania uszkodze w pytach betonowych jest wystpowanie efektu koncentracji naprenia w skali makro. Z reguy wystpuje on tam, gdzie w nawierzchniach lotniskowych dochodzi do punktowego docisku ssiednich elementw betonowych. Naprenia ciskajce skupione w jednym punkcie osigaj wartoci przekraczajce wytrzymao betonu, prowadzc tym samym do rozupania pyty na dwie czci (rys. 2b) lub do odupania jej fragmentu (rys. 2d i e). Koncentracje napre lokalizuj si najczciej w naroach pyt (rys. 2c), co wykazaa analiza numeryczna zamieszczona w pracy [10]. Wzajemny docisk pyt wywoany jest najczciej rozszerzaniem pyt betonowych pod wpywem jednoczesnego dziaania rwnomiernego i nierwnomiernego ogrzewania, ktre powoduje zamknicie si szczeliny dylatacyjnej (w warunkach polskich czsto wykonanej w temperaturze znaczco niszej od projektowanej rys. 2a).

a)

b)

c)

d)

e)

Rys. 2. Koncentracja napre: (a) wpyw temperatury montau, (b) rozupana pyta, (c) analiza numeryczna docisku, (d) odupany naronik pod wpywem docisku, (e) wykruszenie naronikw sklejonych ywic

Wygenerowana tym samym na grnej krawdzi pyt sia pozioma (dziaajca na mimorodzie) wprowadza w pytach dodatkowe momenty zginajce (rys. 2a). Zdarza si take, e powodem

483


zamknicia szczeliny dylatacyjnej jest wypeniajcy je materia obcy, pochodzcy z wykruszonych krawdzi pyt (rys. 1a i 2b) lub z niewaciwej naprawy wypenienie dylatacji ywic epoksydow podczas prac renowacyjnych nawierzchni (rys. 2e). 4. Praca pyt betonowych pod obcieniem termicznym i eksploatacyjnym Pyty betonowe nawierzchni lotniskowych poddane s dziaaniu zmian temperatury w cyklach dobowych i rocznych. Te pierwsze, pochodz od fluktuacji temperatury w dzie i w nocy o znacznym gradiencie, zwaszcza, gdy nawierzchnia poddana jest silnemu nasonecznieniu, natomiast drugie zwizane s ze zmianami pr roku. Pomiary przemieszcze pionowych betonowych pyt lotniskowych swobodnie podpartych, zmieszczone w pracy [11] potwierdziy, e przy nagrzaniu powierzchni pyty (w dzie) unosi si jej cz rodkowa, natomiast podczas ozibienia powierzchni (w nocy) unosz si naroniki (rys. 3). Podobne zachowania obserwowane s w cyklu lato-zima.1.5

P81.0

P5 P4 P3 P2

Przemieszczenia w mm

P7

0.5

0.0

-0.5 9:30 -1.0 13:30 17:30 21:30 -1.5 1:30 5:30 -2.0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 10:30 14:30 18:30 22:30 2:30 6:30 11:30 15:30 19:30 23:30 3:30 7:30 12:30 16:30 20:30 0:30 4:30 8:30

P2

Odle goci w m

P8

Rys. 3. Zmiany przemieszcze pionowych pojedynczej pyty betonowej nawierzchni lotniskowej (55 m), zaobserwowane w pomiarze dobowym [11]

Rys. 4. Schemat uszkodzenia odksztaconych termicznie pyt betonowych pod wpywem obcienia eksploatacyjnego i ciaru wasnego

Dziaanie ciaru wasnego konstrukcji (G) oraz zmiennych w czasie eksploatacyjnych obcie (S) statkami powietrznymi (statyczne i dynamiczne) powoduje zmczeniowe osa484


bienie betonu nawierzchni w wyniku powtarzalnoci ruchu, nakadajcego si na cykliczne odksztacenia termiczne (rys. 4). W duszym okresie czasu prowadzi to do powstawania zarysowa przekroju krytycznego w pytach, a dalsze cykliczne obcienia zmieniaj zarysowanie w pknicie, wok ktrego nastpnie tworz si wykruszenia (spowodowane dziaaniem koncentracji napre w strefach kontaktu ziaren betonu rys. 5).

Rys. 5. Kolejne fazy uszkodzenia pyty betonowej poddanej cyklicznie zmiennym obcieniom

Przecienie uniesionych naronikw pyt skutkuje powstaniem pkni o ksztacie wycinka koa (rys. 6a), natomiast przecienie pyty w rodku rozpitoci powoduje powstanie pknicia w poprzek pyty (rys. 6b). Uszkodzenia te powstaj z reguy w miejscach, gdzie statki powietrzne poruszaj si jednym torem (rys. 7a). Niezabezpieczone w sposb waciwy pknicie stanowi rdo kolejnych uszkodze (dziaanie koncentracji napre), ktre w duszym okresie czasu prowadz do cakowitej destrukcji nawierzchni lotniskowej wymagajcej usunicia zdegradowanego elementu (rys. 7b).

a)

b)

Rys. 6. Uszkodzenia pasa startowego: (a) pknicie naronika pyty, (b) pknicie pyty w poprzek

485


a)

b)

Rys. 7. Regularny ukad uszkodze naronikw w osi ruchu goleni gwnej samolotu (a), zaawansowana destrukcja naronika niezabezpieczonego w sposb waciwy (b)

5. Nieskuteczno uszczelnienia masami bitumicznymi Materiaem tradycyjnie stosowanym do uszczelniania szww dylatacyjnych oraz nowopowstaych pkni (rys. 7 i 2d) s masy bitumiczne. Uszczelnianie szczelin i pkni ma na celu zabezpieczenie podbudowy lub podoa przed wod oraz niedopuszczenie do klinowania si ziaren kruszywa w szczelinach. Niestety, materiay bitumiczne nie zapewniaj prawidowego uszczelnienia w duszym okresie czasu, gdy ulegaj degradacji termicznej i mechanicznej. W lecie pod wpywem wysokich temperatur bitum wypywa ze szczelin (rys. 8a) lub jest z nich wyciskany przez rozszerzajce si elementy betonowe (rys. 8b), natomiast w zimie pod wpywem niskich temperatur staje si kruchy oraz atwo pka pod obcieniem (rys. 8c). Szczelina zabezpieczona mas bitumiczn wymaga wymiany ju po kilkuletnim okresie eksploatacji i w aden sposb nie zabezpiecza podoa przed penetrujc wod, przyczyniajc si do dalszej destrukcji uszkodzonej pyty betonowej. Woda dostajca si przez nieszczelnoci pod pyty wywouje przewilgocenie gruntw skutkujce osabieniem nonoci podoa, czego efektem s osiadania lub wysadziny (w zimie). Masy bitumiczne nieposiadajce nonoci na cinanie nie zapobiegaj temu zjawisku (rys. 8d).

a)

b)

c)

d)

e)

Rys. 8. Obraz negatywnej pracy mas bitumicznych, uszczelniajcych betonowe nawierzchnie lotniskowe

486


6. Dziaanie zjawiska hydrodynamicznego pompowania Dostawaniu si wody pod pyty nawierzchni towarzyszy zjawisko hydrodynamicznego pompowania (rys. 9a), wywoanego przejazdem koa samolotu. Jego mechanizm, polegajcy na transporcie okruchw przez wod pod cinieniem, zosta opisany w pracy [2]. Zjawisko to jest odpowiedzialne za uszkodzenia uszczelnie i klawiszowanie pyt (rys. 9b, c).

b)

c)

Rys. 9. Schemat dziaania hydrodynamicznego pompowania [2] (a), wypychanie masy bitumicznej przez wod pod cinieniem (b), wciganie masy bitumicznej pod pyt spowodowane klawiszowaniem (c)

7. Bdy technologiczne przy budowie i naprawie Czstym powodem powstania uszkodze w nawierzchniach betonowych s bdy popenione przy budowie lub naprawie. Niezachowanie reimu technologicznego przy budowie powoduje, e spkania pyt mog powstawa w wyniku dziaania skurczu betonu lub wysokiego ciepa hydratacji. Uszkodzenia powierzchniowe w postaci kawern, wosowatych spka (rys. 5) lub zuszcze (rys. 10a) s najczciej spowodowane niewaciwym doborem materiau lub nieodpowiedni pielgnacj betonu przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych [9]. Niewaciwie dobrana technologia naprawy uszkodze moe by przykadowo przyczyn wykruszania i odpadania faktury wierzchniej pyt (le uoona nawierzchnia epoksydowa rys. 10b), a punktowe wzmocnienie podoa mikropalami moe powodowa pkanie wiotkiej nawierzchni pasa startowego pod obcieniem (rys. 10c). Osobnego komentarza wymaga uszczelnianie pkni masami bitumicznymi. Technologia ta jedynie powierzchniowo maskuje uszkodzenia, gdy po krtkim czasie degradacja bitumu pozwala na ponown penetracj wody (rys. 7b). Pytkie nacicie pknicia i wypenienie go bitumem nie zapobiega koncentracjom napre pod zabezpieczeniem, co skutkuje pojawieniem si nowych uszkodze w ssiedztwie (rys. 2d, 8e).a) b) c)

Rys. 10. Uszkodzenia spowodowane bdami technologicznymi: (a) zuszczenia powierzchniowe, (b) odspojenie powierzchniowej warstwy naprawczej, (c) pknicia wywoane punktowym przesztywnieniem nawierzchni

487


8. Wnioski Wystpowanie uszkodze oraz ich skuteczne usuwanie z nawierzchni lotniskowych jest zagadnieniem powanym, gdy stanowi o bezpieczestwie ruchu statkw powietrznych. Zaprezentowane w niniejszej pracy wybrane rodzaje uszkodze nawierzchni i przyczyny ich powstawania (najczciej zoone) pokazuj, e naprawa tego rodzaju obiektw nie jest zadaniem banalnym. wiadczy o tym ilo uszkodze wystpujcych na polskich lotniskach, czsto pojawiajcych si w krtkim czasie po remoncie nawierzchni lotniskowych. Zasadniczym problemem przy naprawie tego rodzaju obiektw jest krtki czas wyczenia nawierzchni z uytkowania (czsto jest to jedynie kilka godzin w cigu doby), spowodowany koniecznoci utrzymania staego ruchu lotniczego. W niewielu przypadkach mona sobie pozwoli na zamknicie lotniska na kilka miesicy w celu wykonania kapitalnego remontu nawierzchni. Jest to przyczyna powodujca, e sankcjonuje si stosowania napraw prowizorycznych (maskujcych uszkodzenia wypenianie powierzchniowe pkni masami bitumicznymi) i nietrwaych, ktre zamiataj problem pod dywan, nie eliminujc go. Rozwizania oparte na polimerowych zczach podatnych, badane pod ktem napraw nawierzchni lotniskowych [10], mog w przyszoci sta si alternatyw dla obecnie stosowanych nieskutecznych technologii naprawy. Literatura 1. Czarnecki L., Chmielewska B.: Uszkodzenia i naprawy posadzek przemysowych. XXIII Oglnopolska Konferencja WPPK Naprawy i wzmocnienia konstrukcji budowlanych, t. I, Szczyrk 2008. 2. Szydo A.: Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego. Teoria, Wymiarowanie, Realizacja. Polski Cement Sp. z o.o., Krakw 2004 3. Mierzwa J.: Ksztatowanie i obliczanie posadzek przemysowych na gruncie. XXIII Oglnopolska Konferencja WPPK Naprawy i wzmocnienia konstrukcji budowlanych, t. II, Szczyrk 2008. 4. Pajk Z., Drobiec .: Uszkodzenia i naprawy betonowych podkadw posadzek przemysowych. XXIII Oglnopolska Konferencja WPPK Naprawy i wzmocnienia konstrukcji budowlanych, t. III, Szczyrk 2008. 5. Kulas T.: Uszkodzenia i naprawy posadzek betonowych w pomieszczeniach o obnionych zmiennych temperaturach. XXIII Oglnopolska Konferencja WPPK Naprawy i wzmocnienia konstrukcji budowlanych, t. II, Szczyrk 2008. 6. Tracz M., Grzybowska W.: Awarie w projektowaniu, budowie i eksploatacji drg. XXI Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane07, Szczecin-Midzyzdroje 2007. 7. Grabowski P.: Diagnostyka nawierzchni lotniskowych. Lotnisko nr 2/2007. 8. Konstantakopoulos T., Petalas J., Michaltsos G.: Dynamic response of a plate on elastic foundation under the action of landing airplane forces. 6th International Conference of EASD EURODYN2005, Pary 2005 9. Wojtawicki J.: Przyczyny powstania uszkodze nawierzchni z betonu cementowego. Lotnisko nr 3/2008. 10. Kwiecie A., Zajc B., Czyczua W., Kuda D.: Analiza pracy pknitych nawierzchni betonowych na przykadzie bada pyt lotniskowych naprawionych zczem polimerowym. Przegld Komunikacyjny 4/2008, Wyd. SITK. 11. Czyczua W., Lisowski S., SzczepaniakKrupowski G.: Badania deformacji pyt lotniskowych przy obcieniach termicznych. Politechnika Radomska Prace naukowe Transport nr 3(23) 2005.

488

09 Kwiecien a Uszkodzenia Betonowych Nawierzchni Lotniskowych

Documents

Transcript of 09 Kwiecien a Uszkodzenia Betonowych Nawierzchni Lotniskowych