42 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2006 (09)

mosty

mosty

Dużym problemem konstrukcji mostowych jest ich trwałość.

Elementem konstrukcyjnym zazwyczaj ulegającym zniszczeniu
w pierwszej kolejności jest płyta pomostu. Jej korozja powo-
duje degradację kolejnych elementów konstrukcji i w efek-
cie obniżenie nośności obiektu. Ponadto wraz z rozwojem
transportu wzrastają wymagania dotyczące nośności obiek-
tów mostowych, w związku z tym nawet konstrukcje będące
w dobrym stanie wymagają modernizacji. Koszty takich re-
montów są zwykle bardzo duże, co jest następstwem długiego
wyłączenia obiektu z eksploatacji. Z odsieczą w takich sytu-
acjach przychodzą nowe technologie i materiały – wśród nich
właśnie kompozyty polimerowe. Popularne jest obecnie sto-
sowanie taśm i mat z włókien węglowych przy wzmacnianiu
elementów konstrukcji żelbetowych – dźwigarów oraz płyt.
Jednak istnieją granice podnoszenia nośności w taki sposób.
Co zrobić, jeżeli nowa nośność jest i tak poniżej wymagań?
Może spróbować zmniejszyć ciężar konstrukcji, wymieniając
pomost konwencjonalny (zazwyczaj żelbetowy) na lżejszy
kompozytowy? „Zaoszczędzone” tak obciążenie stałe prze-
znaczyć na zwiększenie obciążenia ruchomego? Pomysł nie
jest zły, ale, co to jest „pomost kompozytowy”? W niniejszym
referacie omówiono właśnie materiał, z którego jest on wyko-
nany – kompozyt polimerowy, sposoby produkcji elementów
z niego wykonanych, a także i same pomosty kompozytowe
wraz z kilkoma przykładami ich zastosowań.

W ciągu ostatnich lat przed mostowcami otworzyły się nowe

możliwości. Dzięki lekkim, a przy tym bardziej wytrzymałym
i trwalszym materiałom mogą oni zbliżyć się do granic nieosią-
galnych dla materiałów tradycyjnych. Materiały te – kompozy-
ty polimerowe (FRP – z ang. Fiber Reinforced Polymers) – do
tej pory stosowane były z powodzeniem w lotnictwie, prze-
myśle kosmicznym, przy produkcji samochodów, statków, ło-
dzi, wielu rodzajów maszyn i urządzeń. Pierwsze konstrukcje
budowlane pojawiły się na przełomie lat 60 i 70, natomiast
pierwszy na świecie obiekt mostowy z kompozytów poli-
merowych wybudowano w Chinach w miejscowości Miyun
w roku 1982.

Od tego czasu liczba obiektów mostowych powstałych

z zastosowaniem FRP stale rośnie. W przypadku wzmacniania
konstrukcji stalowych, betonowych czy drewnianych taśmami
lub matami ich liczba zapewne już przekroczyła tysiąc. Kilka-
set pozycji liczy również lista kładek kompozytowych (z tego
większość to konstrukcje kratowe w parkach narodowych
w USA). Liczba obiektów drogowych – całkowicie kompozy-
towych lub hybrydowych, tzn. stalowo-kompozytowych czy
betonowo-kompozytowych - nie osiągnęła jeszcze stu.

Kompozyty polimerowe w przeciwieństwie do materiałów

tradycyjnych odznaczają się małym ciężarem własnym, dużą
wytrzymałością i odpornością korozyjną (zwłaszcza na sól).
Obawy przed zastosowaniem FRP wiążą się przede wszyst-
kim z brakiem doświadczeń w kwestii trwałości tego materiału
i wyższym od materiałów tradycyjnych kosztem jego produk-
cji. Zaletą jest szybszy i łatwiejszy montaż konstrukcji oraz
niższe koszty utrzymania obiektów wykonanych z zastosowa-
niem kompozytu.

Poniżej przedstawiono pokrótce rodzaje materiałów stoso-

wanych do produkcji elementów konstrukcyjnych z kompo-
zytów polimerowych. Opisano ich właściwości pod kątem
zastosowań w mostownictwie. Zaprezentowano najważniejsze
procesy produkcji. W referacie skupiono się na pomostach
kompozytowych, omówiono ich wybrane wady oraz zalety,
które poparto kilkoma przykładami z pokazaniem ich zasto-
sowania.

Co to są kompozyty polimerowe?

Kompozyty są to materiały utworzone z co najmniej dwóch

składników o różnych właściwościach w taki sposób, że uzy-
skują nowe właściwości w porównaniu z właściwościami
materiałów składowych. Są one zewnętrznie monolityczne,
jednakże z makroskopowo widocznymi granicami między
składnikami. Omawiane kompozyty polimerowe składają się
ze zbrojenia, tzn. włókien oraz spoiwa (w fazie płynnej nazy-
wanego syciwem), w skład którego wchodzi żywica, utwar-
dzacz oraz wypełniacze i inne dodatki.

W mostownictwie stosuje się trzy typy kompozytów poli-

merowych:
• zbrojone włóknami węglowymi (CFRP – z ang. Carbon Fiber

Reinforced Polymers),

• zbrojone włóknami szklanymi (GFRP – z ang. Glass Fiber

Reinforced Polymers),

• zbrojone włóknami aramidowymi (AFRP – z ang. Aramid

Fiber Reinforced Polymers).
Włókna stanowią jeden z dwóch podstawowych elementów

składowych kompozytów polimerowych. Od ich rodzaju, ilo-
ści oraz orientacji zależą w głównej mierze mechaniczne wła-
ściwości tego materiału, takie jak wytrzymałość na rozciąganie,
na zginanie, sztywność itp. O wyborze włókna decyduje nie
tylko jego wytrzymałość, ale i inne czynniki, na które wpływ
ma sposób produkcji oraz warunki pracy kompozytu. Włókna
z reguły zajmują 30-70% objętości kompozytu. Kompozyty wy-
konane z zastosowaniem włókna szklanego są najtańsze, zaś
węglowego – najdroższe.

Podczas gdy włókna spełniają właściwą funkcję niosącą,

Kompozyty polimerowe
w mostownictwie
- pomosty wielowarstwowe

mosty

mosty

43

GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2006 (09)

spoiwo – drugi z podstawowych składników – ma za zadanie
utrzymać włókna w projektowanym położeniu geometrycz-
nym, przenosić na nie obciążenia, zapewniać odporność na
środowisko, w którym dany element będzie się znajdował,
oraz decydować o właściwościach chemicznych i o palności
kompozytu.

Umieszczenie włókien w spoiwie – nawet w przypadku ich

częściowego uszkodzenia – zapewnia szybkie, ponowne włą-
czenie ich do współpracy i osiągnięcie pełnej wytrzymałości
już w niewielkiej odległości od miejsca defektu.

Głównym składnikiem spoiwa jest żywica. Najszerzej stoso-

wana jest żywica poliestrowa. Swą popularność zawdzięcza
doskonałym własnościom przetwórczym, możliwości stosowa-
nia praktycznie we wszystkich technikach wytwarzania kom-
pozytów, niskiej cenie i niezłym własnościom użytkowym.
Wadą żywicy poliestrowej jest jej stosunkowo duży skurcz
w czasie dotwardzania (hartowania).

Żywica epoksydowa jest droższa (kilkakrotnie) i nieco

trudniejsza w przetwórstwie od poliestrowej, ale pozwala na
wytwarzanie półproduktów (tzw. preimpregnatów), które do-
piero przy obróbce końcowej są utwardzane całościowo i do-
twardzane. Przy tym wyróżnia się bardzo małym skurczem.

Żywica winyloestrowa dzięki swej budowie chemicznej łączy

niektóre cechy żywicy poliestrowej i epoksydowej. Ma podob-
ne cechy przetwórcze i jest utwardzana podobnie jak żywica
poliestrowa, a równocześnie posiada niektóre korzystne właści-
wości żywicy epoksydowej. W szczególności wyróżnia ją dobra
odporność chemiczna i termiczna oraz stabilność wymiarowa.

Żywica fenolowa jest najdłużej stosowana w produkcji kom-

pozytów. Charakteryzuje ją duża odporność na wysokie tem-

peratury. Jest ona praktycznie niepalna i w wypadku pożaru
wydziela bardzo niewielkie ilości szkodliwych substancji.

Właściwości kompozytów polimerowych

Poniżej omówiono pod kątem przydatności w budowie mo-

stów najistotniejsze właściwości kompozytów polimerowych
i elementów z nich wytwarzanych.

a) Wytrzymałość na rozciąganie oraz sztywność
Jak wynika z zestawienia (rys. 1), elementy wykonane

z kompozytu polimerowego zbrojonego jednokierunkowo
włóknami węglowymi (CFRP ortotropowy) mają zdecydowa-
nie wyższą wytrzymałość na rozciąganie niż inne materiały.
W związku z powyższym ten rodzaj kompozytów przezna-
czony jest przede wszystkim na elementy, które pracują na
rozciąganie – olinowanie mostów podwieszonych, kable sprę-
żające lub też zewnętrzne taśmy wzmacniające, umieszczone
w strefie rozciąganej wzmacnianych przekrojów.

Wartość modułu Younga CFRP ortotropowego jest porów-

nywalna z wartością modułu Younga stali. Przy uwzględnieniu
ciężaru jednostkowego kompozytu, czterokrotnie mniejszego niż
dla stali (odpowiednio 18,0 i 78,5 kN/m

3

), elementy z kompozy-

tu polimerowego zbrojonego włóknem węglowym mają bardzo
dużą sztywność przy małym ciężarze własnym, co jest ich dużą
zaletą.

Nieco gorsze parametry ma GFRP. O ile jego wytrzymałość

na rozciąganie jest większa od stali, chociaż nie jest to regułą,
o tyle sztywność nie jest zadowalająca. Jest on jednak materia-
łem znacznie częściej wykorzystywanym ze względu na fakt,
że w przeciwieństwie do CFRP ma znacznie mniejszą kruchość
(może przenosić ścinanie) i znacznie niższą cenę.

Rys. 1. Porównanie wartości wytrzymałości na rozciąganie oraz wartości modułów Younga dla różnych materiałów.

Rys. 2. Schemat procesu pultruzji.

44 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2006 (09)

mosty

mosty

b) Anizotropowość
Zakłada się, że najczęściej stosowane materiały konstruk-

cyjne, jak stal i beton, są izotropowe. Cecha ta nie pozwala
na wykorzystanie w pełni ich właściwości. FRP mają tę zaletę,
że można ich wytrzymałość dopasować do kierunku bardziej
wytężonej pracy konstrukcji i tym samym optymalnie wyko-
rzystać zastosowany materiał. Anizotropia wpływa jednak nie-
korzystnie na możliwości łączenia elementów wykonanych
z FRP i w tym wypadku jest ich wadą.

c) Wytrzymałość zmęczeniowa
Z powodu natury obciążeń dla konstrukcji mostowych wy-

magana jest duża odporność zmęczeniowa. Kompozyty poli-
merowe zbrojone włóknami mają wyższą wytrzymałość zmę-
czeniową w porównaniu do materiałów tradycyjnych.

d) Trwałość
Pomimo wiedzy o wpływie wilgoci, zmian temperatury

oraz promieniowania UV na właściwości żywic, w dalszym
ciągu nie można ocenić trwałości w długim okresie. Nawet
gdy uwzględni się okres obecności FRP w przemyśle kosmicz-
nym, całkowity czas istnienia tego materiału w konstrukcjach
wynosi około 50 lat. Dodatkowym faktem jest to, iż wiele
z procesów produkcji oraz żywic polimerowych używanych
jest dopiero od niedawna – a więc nie ma prawie żadnych
doświadczeń pozwalających określić trwałość kompozytów
polimerowych.

e) Odporność korozyjna
Korozja jest podstawowym czynnikiem wpływającym na

trwałość konstrukcji mostowej. Kompozyty polimerowe nie
ulegają korozji.

f) Nieprzewodność elektryczna
Wiele obiektów, po których poruszają się ludzie, znajduje

się w obszarze podwyższonego zagrożenia porażeniem prą-
dem (np. kładki dla pieszych nad trakcją kolejową). Zastoso-
wanie w takich wypadkach FRP znacznie zmniejsza ryzyko
wypadku, ponieważ materiał ten nie przewodzi prądu.

g) Dobra praca w bardzo niskich temperaturach.
W przeciwieństwie do stali oraz betonu kompozyty wyka-

zują wysoką odporność na niskie temperatury – zauważono
nawet wzrost wartości cech wytrzymałościowych w niskich
temperaturach.

h) Palność
Obecnie stosuje się dodatki, które hamują rozwój płomieni

i powodują samogaszenie, ograniczając jednocześnie wydzie-
lanie się szkodliwych substancji przy spalaniu. W porównaniu
ze stalą spadek wytrzymałości rozpoczyna się o wiele wcze-
śniej, przykładowo w kompozycie ze spoiwem poliestrowym
już przy 80

o

C. Jednak z powodu niedużej przewodności ciepl-

nej tego materiału rozgrzanie następuje około 200 razy wol-
niej. W przypadku, gdy konstrukcja znajduje się w warunkach
zagrożenia pożarem, można poprawić jej odporność poża-
rową przez zastąpienie spoiwa np. polimerowego spoiwem
opartym na żywicach fenolowych.

i) Wpływ na środowisko naturalne
Stosowane obecnie polimery powstają jako produkt ubocz-

ny przeróbki ropy naftowej. Zastosowanie kompozytów do
budowy konstrukcji nośnych powoduje zmagazynowanie
energii tkwiącej w materiałach wyjściowych. Dzięki nowo-
czesnym metodom recyclingu duża jej część jest odzyskiwana
w trakcie przetwarzana polimerów.

Zastosowanie włókien szklanych z ekologicznego punktu

widzenia nie budzi zastrzeżeń. Włókna szklane produkowa-
ne głównie z mączki kwarcowej są przyjazne dla środowiska
i ogólnie wygrywają w porównaniu z włóknami węglowymi

a) układanie kolejnych warstw tkaniny z włókien szklanych, stanowiących
zbrojenie dolnej płyty pomostu

b) układanie zbrojenia środnika – elementem dystansującym są kostki pian-
kowe, wokół których układa się zbrojenie

c) widok pomostu przed ułożeniem tkaniny z włókien szklanych stanowią-
cej zbrojenia górnej płyty pomostu

d) Przesycanie próżniowe zbrojenia pomostu syciwem pod szczelnym przy-
kryciem foliowym,

e) Układanie nawierzchni na gotowym pomoście.

Rys.3. Metoda formowania ręcznego z przesycaniem próżniowym na przy-
kładzie produkcji pomostu Hardcore.

mosty

mosty

45

GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2006 (09)

i aramidowymi. Pod względem zapotrzebowania na energię
wyprodukowanie profilu kompozytowego z włókien szkla-
nych ze spoiwem polimerowym metodą pultruzji wynosi 1/4
energii potrzebnej na wyprodukowanie profilu stalowego i 1/6
– aluminiowego.

j) Estetyka
Procesy produkcji FRP zapewniają najczęściej wysoką do-

kładność wykonania elementów, umożliwiają wprowadzenie
pigmentów (chociaż istnieje również możliwość malowania po-
wierzchni) oraz uzyskania faktury na powierzchni zewnętrznej.

k) Mały ciężar jednostkowy
„Odciążenie” konstrukcji skutkuje możliwością stosowania

fundamentów o mniejszych wymiarach. Dodatkową zaletą
jest również zmniejszenie kosztów załadunku, transportu oraz
montażu, związane z uniknięciem konieczności stosowania
ciężkiego sprzętu.

l) Szybki i łatwy montaż przy zastosowaniu minimalnej ilości

sprzętu ciężkiego

Jest to cecha ściśle związana z małym ciężarem jednostko-

wym tego materiału i możliwością montażu poza placem bu-
dowy, na który konstrukcja zostaje przywieziona w ostatnim
momencie i w przypadku małych obiektów w całości, więc
może być od razu ustawiana na podporach.

m) Stabilność wymiarowa
Uzyskanie dużej dokładności wymiarów elementów wyko-

nywanych na placu budowy (jak np. elementów żelbetowych)
często sprawia problemy wykonawcom. Proces pultruzji oraz
prefabrykacja w zakładzie montażowym zapewnia dokładność
wymiarów oraz pełną powtarzalność form.

n) Koszt całkowity
Należy zwrócić uwagę na to, że pomimo wciąż wysokiej

ceny materiału w porównaniu do materiałów tradycyjnych,
ostatnio znacząco się ona zmniejszyła (np. cena CFRP spadła
w ciągu ostatnich 10 lat o 50%). Oszacowując koszty wielo-
letniego utrzymania obiektów, elementy z polimerów zbrojo-
nych włóknami stają się coraz bardziej konkurencyjne.

Produkcja kompozytów polimerowych

Warunkiem uzyskania zamierzonych właściwości kompozy-

tu polimerowego jest odpowiednie powiązanie ze sobą, za po-
mocą spoiwa, zbrojenia w procesie produkcji. Im większy jest
stosunek objętościowy zbrojenia w kompozycie, tym lepiej.
Jest to jedno z podstawowych kryteriów przy ocenie przydat-
ności technologii wytwarzania kompozytów polimerowych,
których jest bardzo dużo – od technologii całkowicie zależ-
nych od czynnika ludzkiego (ręcznych) aż do prawie zupełnie
niezależnych (zautomatyzowanych). Wyróżnia się metody:

• formowania ręcznego,
• formowania ręcznego z przesycaniem próżniowym
• wtryskową,
• wyciskania na mokro,
• wyciskania na sucho (preimpregnaty),
• formowania w autoklawie (preimpregnaty),
• nawijania,
• pultruzji.

Z punktu widzenia zastosowań w mostownictwie w zasa-

dzie ta ostatnia zasługuje na największą uwagę. Automatyza-
cja procesu pultruzji, przy zachowaniu odpowiedniej jakości
kontroli, gwarantuje mniejszy rozrzut właściwości (z powo-
du mniejszego wpływu czynnika ludzkiego) oraz możliwość
szybkiej produkcji dużej liczby powtarzalnych elementów.
W pewnym stopniu takie efekty daje też technologia nawi-
jania (druga metoda pod względem zautomatyzowania), ale
z uwagi na uzyskiwanie niższych parametrów określających
różne właściwości materiałowe, w praktyce jest stosowana
bardzo rzadko w przypadku produkcji elementów konstruk-
cyjnych.

Pultruzja (rys. 2) przeznaczona jest do produkcji profili

o stałym przekroju poprzecznym. Zbrojenie, a w dalszym
etapie gotowe elementy, przeciąga się przez kolejne urzą-
dzenia. To właśnie przeciąganie decyduje o ich belkowym,
prostoliniowym charakterze (nie można w ten sposób uzy-
skać elementów zakrzywionych w planie).

Ręczne technologie, choć czasami pozwalają uzy-

skać lepsze charakterystyki materiałowe w pojedyn-
czych elementach czy nawet całych konstrukcjach, nie-
stety nie sprzyjają szybkiej produkcji masowej. I chociaż
wytwarza się za jej pomocą niektóre pomosty, powoli
się od tego odchodzi. Rachunek ekonomiczny prowa-
dzi do wniosku, że w przypadku produkcji dużych par-
tii materiału nie są one konkurencyjne w porównaniu
z procesami o charakterze przemysłowym. Niemniej war-
to prześledzić jedną z nich (rys. 3), za pomocą której wy-
konano jeden z pomostów przedstawionej w dalszej części
referatu. Jest to metoda formowania ręcznego z przesyca-
niem próżniowym (z ang. VARTM – Vacuum Assisted Resin
Transfer Holding). Warto jeszcze raz podkreślić, że w prze-
ciwieństwie do wspomnianej wcześniej pultruzji metoda ta
z powodu czasochłonności nadaje się raczej do produkcji
małych partii materiału. Zaletą jej jest, że w takim przypadku
nie wymaga wielkich nakładów finansowych – największy
koszt produkcji stanowi materiał. Oprzyrządowanie zaś jest
tanie i stosunkowo proste. Składa się z formy wykonanej ze
sklejki, przykrycia foliowego oraz pompy próżniowej.

System

Grubość pomostu

Konieczność zespole-

nia z dźwigarami

Połączenie

pomost-pomost

Połączenie pomost-

dźwigar

Metoda wytwarzania

Hardcore

różna

nie

klejone

nieopracowane

ręczna

Kansas

różna

nie

klejone

zaciski

ręczna

Superdeck

203 mm

tak

klejone

klej/sworznie

pultruzja

DuraSpan

190 mm

tak

klejone

+ mechaniczne

sworznie

pultruzja

Virginia Tech

171 mm

tak

klejone

+ mechaniczne

sworznie

pultruzja

EZ-Span

216 mm

tak

klejone

nieopracowane

pultruzja

ACCS

nie

klejone

+ mechaniczne

nieopracowane

pultruzja

ASSET

225 mm

tak

klejone

klej

pultruzja

F10

220 mm

tak

klejone

nieopracowane

nawijanie, pultruzja

Tab. 1. Porównanie systemów pomostów kompozytowych.

46 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2006 (09)

mosty

mosty

Wielowarstwowe pomosty
z kompozytów polimero-
wych - sandwicze

Z kompozytów polimerowych

wykonuje się szereg elementów
konstrukcyjnych stosowanych
w mostach. Począwszy od profili
mostowych, poprzez systemy cię-
gien sprężających oraz lin podwie-
szających, przez taśmy i maty do
wzmacniana konstrukcji, aż po po-
mosty wykorzystywane przy mo-
dernizacji starych mostów oraz bu-
dowie nowych obiektów. Można
wyróżnić pomosty piesze – kra-
towe i ortotropowe, oraz pomo-
sty drogowe – wielowarstwowe.
Skupmy się na tych ostatnich.

Pomosty wielowarstwowe, na-

zywane popularnie sandwiczami,

to konstrukcje płytowe z masą
skoncentrowaną w warstwach
wierzchnich (odpowiednikach gór-
nej i dolnej półki w dwuteowniku)
i rdzeniem o małej gęstości (odpo-
wiednikiem środnika). Odznaczają
się one dużym stosunkiem sztyw-
ności do masy i znaczną wytrzyma-
łością na zginanie oraz nacisk.

Mają one niewielki ciężar

(ok. 20% ciężaru porównywalnej
płyty betonowej), dużą wytrzyma-
łość zmęczeniową oraz odporność
na korozję, a także możliwość ła-
twego i szybkiego montażu bez
potrzeby długotrwałego zamyka-
nia ruchu. Liczne systemy takich
pomostów opracowano w USA
i Kanadzie. Ostatnio powstał także
system europejski ASSET, a w fazie
badań są systemy azjatyckie: kore-
ańskie, japońskie oraz chińskie.

Wszystkie pomosty wytwarza-

ne są z włókien szklanych i żywi-
cy poliestrowej lub winyloestro-
wej. Większość z nich powstaje
w procesie pultruzji, lecz spotyka
się także elementy wytworzone
w procesie formowania ręcznego. Grubości sandwiczy są za-
zwyczaj stałe dla danego sytemu i wynoszą około 170-230 mm.

Jako nawierzchnie stosuje się najczęściej beton polimerowy

o grubości 10-20 mm, który jest nanoszony jeszcze przed mon-
tażem płyt pomostowych do dźwigarów.

Porównanie wybranych systemów pomostów i ich kon-

strukcję przedstawiono w tab. 1 oraz na rys.4.

Realizacja połączeń w pomostach sandwiczowych

Wzajemne połączenia pomostów są realizowane za pomo-

cą połączeń klejonych, uzupełnianych niekiedy połączeniami
mechanicznymi. Schemat kilku rozwiązań takich połączeń
przedstawia rys. 5, a sposób wykonywania przykładowego
połączenia klejonego – rys. 6.

Równie istotnym problemem są sposoby łączenia pomo-

stów z dźwigarami. Mogą one być realizowane jako połącze-
nia klejone lub mechaniczne, z których te ostatnie są spoty-
kane znacznie częściej. Jedne z nich pozwalają na współpracę
płyty z dźwigarami zarówno przy rozciąganiu, jak i ściskaniu
(pełne zespolenie), inne służą zaś jedynie jako umocowanie
płyty, która w tym przypadku pracuje jedynie w kierunku po-
przecznym. Przykładowe rozwiązanie dla pomostu DuraSpan
oraz dźwigarów betonowego i stalowego zostało przedstawio-
ne na rys. 7.

Dla systemu DuraSpan opracowano również cztery różne

technologie montażu barier ochronnych (rys. 8). Ostatni –

Hardcore (Hardcore Composites,
USA)

Kansas (Kansas Structural Composites,
Inc., USA)

Superdeck (Creative Pultrusion,
Inc., USA)

DuraSpan (Martin Marietta Com-
posites, USA)

Virginia Tech (Strongwell, USA)

ASSET (Fiberline A/S, Dania)

ACCS (Maunsell Structural Pla-
stics, Wielka Brytania

EZ-Span (Creative Pultrusion,
Inc., USA)

F10 (Wardrop Engineering, Inc.
Kanada)

Rys.4. Różne systemy pomostów kompozytowych (pod zdjęciem: nazwa oraz, w nawiasie, producent
i kraj pochodzenia pomostu).

mosty

mosty

47

GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2006 (09)

czwarty – sposób wydaje się najlepszy. Gdyby
zaistniała taka możliwość w Polsce, to pewnie
właśnie on zostałby wybrany do realizacji.

Na rys. 9 przedstawiono sposób łącze-

nia pomostu kompozytowego z przyczół-
kiem. To zagadnienie jest skomplikowane
i do tej pory nie znaleziono jeszcze żad-
nego naprawdę skutecznego rozwiązania.
A jest to istotne dla użytkowania obiektów
mostowych z pomostem kompozytowym,
ponieważ pomost jest elementem znacznie
bardziej odkształcalnym niż masyw przy-
czółka, a krawędź pomostu pod wpływem
nacisków kół ulega sporym odkształceniom
w przeciwieństwie do krawędzi tegoż przy-
czółka, co powoduje uszkodzenia nawierzchni
w strefach przejściowych. Wydaje się, że naj-
lepszym rozwiązaniem byłoby zamontowa-
nie w tych miejscach urządzeń dylatacyjnych,
podobnie jak w przypadku pomostów kon-
wencjonalnych. Dodatkowo pozwoliłoby to
kompensować przemieszczenia pomostu po-
wstałe na skutek oddziaływań termicznych, ale tu
z kolei pojawia się problem prawidłowego po-
łączenia urządzeń dylatacyjnych z pomostem
kompozytowym. Prace nad rozwiązaniem tego
problemu trwają.

Przykłady zastosowania wielowar-
stwowych pomostów kompozyto-
wych

Pod pojęciem mostów kompozytowych na-

leży rozumieć obiekty, których ustrój nośny
(dźwigary i płyta pomostu) wykonano wyłącz-
nie z kompozytów polimerowych. Podpory
(przyczółki i podpory pośrednie) zbudowane
są zazwyczaj z materiałów tradycyjnych. Dru-
gim rodzajem obiektów są te, które powsta-
ją przez połączenie elementów z materiałów
tradycyjnych (stal, beton) i z kompozytów
polimerowych (FRP). Zwykło się nazywać je
mostami hybrydowymi. Najczęściej spotyka-
nym przykładem takich mostów są konstrukcje
składające się ze starych dźwigarów stalowych
lub betonowych, do których przymocowano
nowy pomost z FRP. Poniżej zamieszczono kil-
ka przykładów nowych i wyremontowanych
obiektów mostowych, w których zastosowano
właśnie pomosty kompozytowe.

Pierwszym z nich jest stalowy mostowy kra-

towy o jezdni dolnej z 1941 roku Warren Pony
Truss, zlokalizowany nad potokiem Bentley
w miejscowości Wellsburg w stanie Nowy Jork
(rys. 10). Most jest obiektem jednoprzęsłowym
o rozpiętości ok. 43,0 m, szerokości jezdni ok.
7,5 m oraz skosie 27

o

.W latach 1998-1999 most

przeszedł gruntowny remont, podczas którego
odczyszczono i odmalowano konstrukcję sta-
lową oraz usunięto pomost żelbetowy, zastę-
pując go pomostem kompozytowym Hardcore.
W wyniku tego zmniejszono ciężar własny po-
mostu aż o 265 t (z 830 do 150 kg/m

2

). Wzrosła

nośność obiektu do zakładanej według ame-

Rys. 5. Łączenie pomostów kompozytowych: a) Hardcore, b) Superdeck, c) F10, d) ASSET,
e) ACCS, f) Kansas.

Rys.6. Połączenie elementów systemu ASSET w drogowym moście West Mill w Wielkiej Brytanii

Rys.7. Przykład połączenia pomostu kompozytowego DuraSpan z dźwigarem betonowym oraz
dźwigarem stalowym.

Rys.8. Różne systemy montażu barier ochronnych dla systemu DuraSpan.

Rys.9. Sposób sztywnego łączenia pomostu DuraSpan z przyczółkiem i jego konsekwencje.

48 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2006 (09)

mosty

mosty

rykańskich norm klasy HS25. Nowy pomost zamontowano
w ciągu dwudziestu dni. Na moście zastosowano nawierzch-
nię o grubości 10 mm z betonu polimerowego na kruszywie
bazaltowym. Po kilku miesiącach eksploatacji pojawił się pro-
blem z nawierzchnią, którą trzeba było wymienić z powodu
jej złej przyczepności do podłoża – górnej płyty pomostu
z GFRP.

Dzięki decyzji o zastosowaniu pomostu Hardcore nie trze-

ba było wymieniać całego mostu, co kosztowałoby ok. 2 200
tys. dolarów. Wymieniono jedynie pomost, co kosztowało
430 tys. dolarów (1300 dolarów za m

2

), a wraz z kosztami re-

montu konstrukcji stalowej - 880 000 tys. dolarów. Dzięki temu
oszczędzono dużą sumę pieniędzy oraz uniknięto dłuższych
problemów z wstrzymaniem ruchu samochodowego, który na
tym obiekcie wynosi 3 300 samochodów dziennie (w tym 230
ciężarówek).

Drugim mostem jest również obiekt kratowy o jezdni

dolnej - Camelback Truss (rys. 11). Most został zbudowany
w 1933 roku nad rzeką Schroon w miejscowości Warrens-
burg w stanie Nowy Jork. Jest to obiekt jednoprzęsłowy
o rozpiętości ok. 50,0 m i szerokości ok. 7,7 m. W 2000 roku
przeprowadzono jego remont, podczas którego odnowiono
konstrukcję stalową oraz wymieniono pomost drewniany na
kompozytowy systemu DuraSpan. Ciekawostką jest fakt, że na
życzenie inwestora nowemu pomostowi na etapie produkcji
nadano kolor „drewnopodobny”, aby zachować historyczny
wygląd obiektu. Jako nawierzchnię zastosowano cienką war-
stwę betonu polimerowego. Chociaż wydawało się to korzyst-
ne ze względu na zmniejszenie obciążenia – nie sprawdzi-
ło się to pod względem użytkowym – po kilku miesiącach
eksploatacji na nawierzchni pojawiły się zarysy otworów,
w których znajdowały się trzpienie zespolenia.

Trzecim przykładem jest most nad potokiem Bennetts

w miejscowości Rexville w stanie Nowy Jork (rys. 12) – nowy
obiekt wybudowany w 1998 roku w miejscu starego żelbeto-
wego mostu z roku 1926. Rozpiętość jego jest niewielka – za-
ledwie ok. 7,6 m, przy szerokości ok. 10 m oraz skosie 30

o

.

W nowym moście zastosowano pomost typu Hardcore, peł-
niący zarazem rolę konstrukcji nośnej, jak w typowym moście
płytowym. Zakładana nośność obiektu według amerykańskich
norm to HS25. Ciekawie rozwiązano kwestię barier ochron-
nych – są one wykonane z paneli kompozytowych wypełnio-
nych wewnątrz betonem oraz konwencjonalnym zbrojeniem
i połączone monolitycznie z zabetonowaną belką policzko-
wą. Koszt budowy nowego obiektu (wraz z przyczółkami)
wyniósł 395 tys. dolarów, w tym koszt wykonania i uło-
żenia samego pomostu to 115 tys. dolarów (1500 dolarów
za m

2

). Na moście zastosowano nawierzchnię o grubości

10 mm z betonu polimerowego na kruszywie bazaltowym.
W trakcie eksploatacji pojawił się problem na styku pomo-
stu z przyczółkiem. Różnica sztywności obydwu elementów
i brak systemu łączenia, poza elastycznym wypełnieniem si-
likonem, spowodował uszkodzenie nawierzchni. Stało się to
mimo niewielkiego natężenia ruchu na obiekcie – dziennie
przejeżdża przez niego mniej niż 300 samochodów (w tym
ok. 50 to ciężarówki).

Ostatni z przedstawionych obiektów jest obiektem euro-

pejskim, powstałym jako efekt programu ASSET (z ang. Ad-
vanced Structural System for Tomorrow’s Infrastructure). Jest
to całkowicie kompozytowy most drogowy West Mill (rys.
13), znajdujący się nad rzeką Cole w pobliżu miejscowości
Shrivenham w Anglii. Most zbudowano na miejscu starego
rozebranego obiektu i oddano do użytku w październiku

a) widok mostu przygotowanego
na układanie pomostów Hardcore

b) układanie pomostu Hadrcore

c) widok mostu po remoncie

d) uszkodzenie nawierzchni powsta-
łe kilka miesięcy po remoncie

a) widok mostu

b) układanie pomostu DuraSpan

c) połączenie pomostu z dźwiga-
rem przed betonowaniem

d) uszkodzenie nawierzchni po-
wstałe kilka miesięcy po remoncie

a) widok starego mostu

b) obciążenia próbne nowego mostu

c) bariera ochronna przed zabeto-
nowaniem

d) uszkodzenie nawierzchni na sty-
ku przyczółka

a) budowa mostu

b) gotowy obiekt w dniu otwarcia

Rys.10. Most Warren Pony Truss.

Rys.11. Most Camelback Truss.

Rys.12. Most nad potokiem Bennetts w miejscowości Rexville w stanie Nowy Jork.

Rys.13. Most drogowy West Mill.

mosty

mosty

49

GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele

02/2006 (09)

2002 roku. Jego konstrukcja nośna składa się – z czterech
dźwigarów kompozytowych, a każdy z nich z czterech pro-
fili GFRP o przekroju kwadratowym, o wysokości 24 cm,
oraz płyty CFRP. Pomost wykonano z elementów systemu
ASSET. Rozpiętość przęsła wynosi 11,0 m, szerokość obiektu
– 6,8 m (w tym jezdni 5,0 m), a rozstaw dźwigarów - 1,75 m.
Most zaprojektowano na obciążenie pojazdem o masie 40 t.
W związku z faktem, że obiekt jest konstrukcją prototypową
i wynikiem ponad czteroletnich badań, trudno oszacować
jego koszt. Warto jednak wspomnieć, że cały program, któ-
rego efektem było m.in. opracowanie pomostu ASSET, kosz-
tował prawie 3,0 mln funtów.

Podsumowanie

Kompozyty polimerowe mają dużą przyszłość w mostownic-

twie, zarówno przy budowie nowych obiektów, jak i remon-
towaniu starych. W przypadku nowych można wykonywać
z nich konstrukcję nośną w postaci dźwigarów, poprzecznic,
podłużnic lub olinowania, jak i pomosty. W przypadku starych
obiektów można zaś stosować je do wzmacniania poszcze-
gólnych elementów konstrukcji (jako zbrojenie zewnętrzne)
oraz również jako pomosty, które pomimo niewątpliwych
zalet – małego ciężaru, odporności na korozję i możliwości
szybkiego montażu, mają i wady – połączenia. Ale są to wady,
które można rozwiązać na etapie badań zmierzających do mo-
dyfikacji obecnych, niedoskonałych rozwiązań. Takie badania
są prowadzone obecnie na świecie przez ośrodki naukowe
oraz jednostki badawcze z firm produkujących elementy kom-
pozytowe.

Warto zwrócić uwagę na pozornie niezagospodarowany ob-

szar zastosowań pomostów kompozytowych. Mogą one zostać
wykorzystane nie tylko w mostach stałych – dobrą ideą wydaje
się użycie ich jako pomostów w mostach tymczasowych. Wy-
magania stawiane takim mostom są nieco mniej restrykcyjne
niż w przypadku mostów stałych, a korzyści z zastosowania
– oszczędność czasu montażu – duże.

LITERATURA

[1] Keller T.: “Use of Fibre Reinforced Polymers in Bridge Con-

struction. IABSE Structural Engineering Documents No 7.”,
Zurich 2003.

[2] Suong Woo Lee: “Development and Field Applications of

Fiber Reinforced Composite Bridge Deck”, COBRAE Confe-
rence 2005 – Bridge Engineering with Polymer Composites,
Zurych 2005.

[3] Zobel H., Karwowski W., Sarnowska J., Wróbel M.: “Nowa

generacja mostów – mosty z kompozytów polimerowych”,
część I - Autostrady 4/2004, s. 16-19, część II – Autostrady
5/2004, s. 54-63.

[4] Zobel H., Karwowski W., Sarnowska J., Wróbel M.: „Kom-

pozyty polimerowe jako materiał konstrukcyjny w budowie
mostów”, Materiały Budowlane 6/2004, s. 101-104.

[5] Zobel H.: „Mosty kompozytowe”, 50. Jubileuszowa Konfe-

rencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 2004

[6] www.fhwa.dot.gov
[7] www.martinmarietta.com
[8] Alberski T.: materiały New York Department of Transporta-

tion, Nowy Jork 2004.

autor

prof. dr hab. inż. Henryk Zobel

mgr inż. Wojciech Karwowski

Politechnika Warszawska

Instytut Dróg i Mostów