45

Maria DRAGAN

1

Piotr GWOŹDZIEWICZ

2

Carlo FABER

3

NAWIERZCHNIE CHODNIKOWE DWUFAZOWE

NA BAZIE MODYFIKOWANYCH BITUMÓW

- ALTERNATYWA DLA POWŁOK ŻYWICZNYCH

Praca jest poświęcona dwufazowym nawierzchniom mostowym złożonym z wodoszczelnej membrany

otaczającej kruszywo. Nawierzchnia jest w szczególności przeznaczona na drogi piesze i rowerowe,
a w wyjątkowych sytuacjach również na jezdnie. Na tle podstawowych wymagań dla nawierzchni omówione są
własności membrany oraz przenoszącego obciążenia kruszywa. Istotną uwagę poświęcono nieco bardziej
liberalnemu w porównaniu do żywic reżimowi aplikacji.

1. Wstęp

Nawierzchnie chodnikowe obiektów mostowych są jednym z elementów, który w ostatnich latach

podlega stałemu rozwojowi. Coraz ściślej egzekwowane wymagania stawiane nawierzchniom, jak
wodoszczelność, trwałość, odporność mechaniczna oraz trwałość barwy (odporność UV) stawiają
wysoką poprzeczkę dla materiałów używanych jako powłoki. Powszechnie zrezygnowano
z dywaników asfaltowych, tak często stosowanych jeszcze w latach 80-tych. Spośród stosowanych
rozwiązań obecnie ogromne znaczenie uzyskały nawierzchnie żywiczne, układane bezpośrednio na
betonie kapy chodnikowej. Dają one szerokie możliwości spełnienia wymagań wodoszczelności,
trwałości czy też uzyskania dowolnej barwy nawierzchni. Pewnym mankamentem pozostaje jednakże
ścisły reżim ich układania, który teoretycznie dokładnie znany, w praktyce jednak przysparza dużych
kłopotów realizacyjnych, zwłaszcza w porze jesiennej, typowej dla fazy wykończeniowej budowy
obiektu. Często nawierzchnia chodnikowa jest układana pod presją czasu, jako jeden z ostatnich
elementów budowanego czy remontowanego obiektu. W okresie jesiennym trudno zapewnić
wymagany poziom wilgotności dla żywic, które tego wymagają – a wymaga większość materiałów z tej
grupy – czy też zrealizować reżim temperaturowy. Nie bez znaczenia jest ponadto praca kapy
chodnikowej. Ten zwykle betonowy element wyposażenia nie jest przeznaczony do samodzielnego
przenoszenia obciążeń. W rezultacie jego zbrojenie może być zbyt słabe, aby przenieść rozciągania
wywołane skurczem czy odkształceniami termicznymi. Zarysowanie, jakie w samej kapie mogłoby być
w pełni zaakceptowane, prowadzi nieuchronnie do pęknięć powłoki żywicznej.

Jakkolwiek zatem w sprzyjających warunkach ułożenie powłoki żywicznej jest możliwe do

zrealizowania, to powszechnie znane są przykłady obiektów, gdzie jeszcze w trakcie trwania okresu
gwarancyjnego konieczna jest naprawa lub wręcz wymiana takiej nawierzchni (rys. 1). Sytuacja taka

1

Mgr inż., ASIS Sp. z o.o.

2

Dr inż., Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej

3

Dip Ing., LATEXFALT BV

46

jest niepożądana oczywiście zarówno przez wykonawcę, o ile on jeszcze istnieje, jak i inwestora, gdyż
rodzi konieczność zorganizowania nieplanowanych robót naprawczych.

Niniejsza praca jest poświęcona podstawowym parametrom nawierzchni dwufazowych opartych na

emulsjach bitumicznych modyfikowanych polimerami. Poza zakresem tej pracy leżą rozwiązania, które
zapewniają spełnienie tylko części postulowanych cech nawierzchni, jak na przykład sporadycznie
stosowana kostka betonowa układana na wodoszczelnym podłożu czy też jednorodne membrany
bezspoinowe.

Rys.1. Typowe uszkodzenia nawierzchni epoksydowej

2. Koncepcja nawierzchni na bazie bitumów

Poszukiwania rozwiązań alternatywnych dla nawierzchni żywicznych prowadzą przez różne

materiały: powłoki malarskie, betony impregnowane czy powłoki na bazie bitumów. W szczególności
te ostatnie wykorzystują walory materiału pochodzenia naturalnego [1]. Bitumy jako takie, produkty
bitumiczne i emulsje bitumiczne udowodniły już wielokrotnie swoją wysoką przydatność w zakresie
budowy dróg i obiektów. Ich podstawowym zastosowaniem jest trwałe połączenie innych elementów.
Innymi powodami użycia bitumów w inżynierii jest ich wodoszczelność oraz trwała plastyczność.

Bitumy, będące mieszaniną stałych i ciekłych węglowodorów oraz ich pochodnych, dzieli się na

asfaltowe i - rzadziej stosowane w nawierzchniach - smołowe. W podstawowej swojej grupie materiały
nawierzchniowe posiadają podobne parametry, co tradycyjne dywaniki asfaltowe, jakimi są
w szczególności mięknienie przy wzroście temperatury i twardnienie przy jej spadku. Jednak dzięki
modyfikacjom bitumy mogą przedstawiać nieco inne możliwości. Dodatek odpowiednio dobranych
polimerów do bitumów lub emulsji bitumicznych daje możliwość poprawy naturalnych własności
bitumu.

Zadaniem nawierzchni chodnikowej jest przenoszenie obciążenia na beton kapy chodnikowej przy

jednoczesnym zachowaniu szczelności powłoki. Te podstawowe cele mogą być osiągnięte zarówno
przez jeden materiał, jak i przez powłokę dwufazową (rys. 2). Podstawa pomysłu, jaki przyświeca
stworzeniu nawierzchni dwufazowych na bazie bitumów, to podział funkcji: matryca bitumiczna
stanowi wodoszczelną membranę, kruszywo w niej zatopione przenosi obciążenia.

Emulsje bitumiczne kationowe modyfikowane polimerami powstały głównie celem zastąpienia

powłok żywicznych tam, gdzie te ostatnie się nie sprawdzają [5,8]. Powłoki bitumiczne można układać
na następujących powierzchniach:

- betonowych wylewanych na mokro,
- wyprawionych powierzchniach prefabrykatów betonowych,
- elementach drewnianych,
- istniejących nawierzchniach bitumicznych litych i porowatych,
- powierzchniach stalowych.
Dzięki trwałej plastyczności materiału, zastosowanie powłoki dwufazowej daje możliwość

uzyskania bezdylatacyjnych membran wodoszczelnych o dużych powierzchniach. W efekcie znaczącej
modyfikacji parametrów matrycy bitumicznej przy pomocy polimerów, uzyskać można znaczny wzrost
odporności na duże obciążenia, w rezultacie, czego zastosowanie nawierzchni pod ruchem kołowym nie
naraża jej na uszkodzenia (rys. 3).

47

3. Wybór matrycy

Wykorzystanie zwykłych emulsji bitumicznych w budowie obiektów mostowych mimo ich

niewątpliwych walorów ma swoje ograniczenia. Dodatek tworzyw sztucznych takich jak: SBS (Styren-
Butadien-Styren), EVA (kopolimer etylen/octan winylu) daje wyraźną poprawę parametrów
mechanicznych własności matrycy [2].

Matryca nawierzchni dwufazowej może być uzyskana przez modyfikację bitumu wodą, środkiem

emulgującym oraz elastomerem. Polimer może być dodany do gorącego bitumu zarówno przed jak
i w trakcie wytwarzania emulsji.

Rys. 2. Dwufazowa nawierzchnia: modyfikowana

emulsja bitumiczna oraz kruszywo

Rys.3. Nawierzchnia dwufazowa na chodniku i jezdni

obiektu mostowego

W zależności od rodzaju i ilości materiału dodawanego, zmianie mogą ulec następujące własności:
- penetracja,
- temperatura mięknienia,
- indeks penetracji,
- sprężystość,
- wytrzymałość,
- łamliwość w niskich temperaturach,

-

starzenie.

Uzyskiwaną dla przykładowego materiału zmianę uzyskiwanych parametrów przedstawia poniższa

Tablica 1; uwagę zwraca poprawa własności sprężystych oraz własności mechanicznych przy niskich i
wysokich temperaturach [3, 7].

Tablica 1. Zmiana parametrów emulsji bitumicznej w efekcie modyfikacji

Parametr

Emulsja bitumiczna

Emulsja modyfikowana

Penetracja w 25

o

C

300

o

P

70

o

P

Temperatura mięknienia

37

o

C

55

o

C

Sprężystość (2mm 20

o

C)

Ciągliwy

1000%

Wytrzymałość

0,2 N/mm

2

0,5N/mm

2

4. Badania materiału

Tak zmodyfikowany materiał bitumiczny przedstawia parametry, jakie kwalifikują go do

szerokiego zastosowania na różnych powierzchniach. Dla potwierdzenia uzyskanych właściwości
przygotowano wzorcowy program badań pod kątem specyficznych zastosowań. Tablica 2 przedstawia
program badań [4,5].

48

Tablica 2. Badania zmodyfikowanej emulsji

Własność

Celem zastosowania:

Adhezja

Na każdej powierzchni

Wodoszczelność

Na każdej powierzchni

Przekrywanie rys

Rysy i dylatacje pracujące i niepracujące

Starzenie

Zastosowania powierzchniowe

Paroprzepuszczalność

Jako membrana

Odporność na chlorki

Na każdej powierzchni

Środowisko

Do dowolnego stosowania

4.1. Adhezja (przyczepność)

Badania adhezji pomiędzy dwiema warstwami

nawierzchni oraz pomiędzy warstwą nawierzchni
a betonem nie są standaryzowane. W związku
z tym badanie zwykle przeprowadza się na
sklejonej próbce rozciąganej ze stałą prędkością
(rys. 4). W trakcie badań na maszynie
laboratoryjnej

dokonuje

się

pomiaru

siły

rozciągającej

między

dwoma

elementami.

Powierzchnia zniszczenia jest oceniana wizualnie.

Badanie adhezji wykonuje się przy tem-

peraturze 10ºC dla poszczególnych powierzchni,
na których ułożono warstwę zmodyfikowanej
emulsji

bitumicznej

(rys.

5).

Przykładowe

uzyskane wyniki podano w poniższej Tablicy 3.

Rys. 4. Badanie przyczepności bitumu

Rys.5. Porównanie adhezji bitumu polimerowego i lepiku bitumicznego

Tablica 3. Badania przyczepności zmodyfikowanej emulsji

Powierzchnia

Przyczepność N/mm

2

Przełom

BETON

1,1

BRAK

POLIURETAN

1,0

BRAK

STAL

1,2

BRAK

4.2. Wodoszczelność

Badanie wodoszczelności wykonuje się przy różnych poziomach ciśnienia. Modyfikowane emulsje

wykazują bardzo dobrą szczelność przy ciśnieniach rzędu 1 bar. Przy wyższych ciśnieniach z uwagi na
technikę badania uzyskiwane są rozbieżne rezultaty, zwykle będące konsekwencją zniszczenia próbki
w trakcie badania. Dobre rezultaty, osiągane dla membrany osadzonej między dwiema warstwami
przepuszczalnego materiału, dają podstawę dla stwierdzenia, że modyfikowane polimerami bitumy są
skuteczną warstwą izolacji przeciwwodnej, o ile ich odkształcenie pod ciśnieniem jest mechanicznie
uniemożliwione. Przy ciśnieniach typowych dla warunków użytkowych, rzędu 1 bar, badania
udowodniły dobre parametry modyfikowanych bitumów.

49

4.3. Starzenie

Badanie wpływu starzenia odbywa się w warunkach laboratoryjnych. Zwykle eksponuje się

materiał na długotrwałe działanie promieni UV, by następnie zbadać jego sprężystość. Kontroli podlega
wytrzymałość na rozciąganie i na ścinanie. Przeprowadzane badania wykazują jedynie nieznaczną
zmianę parametrów sprężystości materiału.

4.4. Paroprzepuszczalność

Badanie jest zwykle przeprowadzane przy użyciu naczynia z parującą wodą usytuowanego

w pomieszczeniu o temperaturze +23C i wilgotności 50%. Na naczyniu układa się ciało porowate
zaizolowane badaną substancją. Pomiar paroprzepuszczalności odbywa się poprzez pomiar zmiany
masy w stosunku do czasu i powierzchni. Względny współczynnik dyfuzji pary wodnej jest określany
w oparciu i zmianę masy. Bardziej ściśle można określić przepuszczalność pary wodnej jako ilość
gramów pary wodnej, która przenika w ciągu 24 godzin przez m2 ciała próbnego w danych warunkach
klimatycznych. Przykładowe rezultaty pomiarów przedstawia poniższa tablica 4:

Tablica 4. Badania przepuszczalności pary wodnej przez warstwę zmodyfikowanej emulsji

Badanie

Współczynnik dyfuzji

Przepuszczalność pary wodnej

(g/m

2

/d)

1

36,9

0,61

2

12,7

1,77

3

18,1

1,24

4.5. Odporność na chlorki

W celu przebadania odporności bitumów modyfikowanych na chlorki, przeprowadza się badanie,

w którym bloczek betonu komórkowego, zaizolowany warstwą bitumu, poddaje się działaniu roztworu
chlorku sodu i chlorku potasu. Po 7 dniach badania i usunięciu zarówno roztworów jak i powłoki
dokonuje się detekcji obecności chlorków przy pomocy aparatu fluoroscencyjnego na promienie X.

Uzyskane wyniki przedstawia tablica 5:

Tablica 5. Badania odporności zmodyfikowanej emulsji na chlorki

Próbka

Obecność chlorków

1

0,031%

2

0,058%

3

0,053%

W wyniku badania stwierdzono, że podczas próby do betonu nie przeniknęły żadne jony chlorkowe.

5. Bezpieczeństwo i środowisko

5.1. Kontekst prawny

Z uwagi na skład oraz stężenie, emulsje bitumiczne nie są materiałem niebezpiecznym z uwagi na

wpływ na środowisko. Jednocześnie, materiały te nie są również uważane za niebezpieczny materiał
odpadowy. Ich zastosowanie w budownictwie czy to jako materiały izolacyjne czy wyprawy
powierzchni nie jest uważane za niebezpieczne zarówno z uwagi na zawartość niebezpiecznych
składników, jak i ze względu na własności użytkowe materiału.

5.2. Aspekty środowiskowe

Należy zapobiegać swobodnemu kontaktowi emulsji bitumicznych z podłożem gruntowym, wodą

gruntową, ściekami oraz woda powierzchniową. W niezłamanej formie emulsje bitumiczne rozlewają
się łatwo, w szczególności w środowisku wodnym. Przy kontakcie z dnem zbiornika wodnego bitum
ulega odseparowaniu od wody i zachowuje się jak materiał stały. W tej formie trudno go
zneutralizować biologicznie, przez co jego wysokie stężenia mogą być szkodliwe dla organizmów
wodnych.

50

W wypadku dostania się do środowiska wodnego, należy zatamować rozpływ emulsji a następnie

absorbować ją piaskiem lub innym materiałem chłonącym. Daje to możliwość następnie jej
odseparowania oraz zneutralizowania zgodnie z obowiązującymi przepisami.

6. Szczegółowe właściwości

Szczegółowe własności nawierzchni na zmodyfikowanej emulsji bitumicznej przedstawia tablica 6 [6].

Tablica 6. Szczegółowe własności nawierzchni na emulsji zmodyfikowanej

Właściwości emulsji

Typ emulsji
Zawartość lepiszcza
Lepkość
Gęstość
Rozmiar cząstek

Kationowa
Ok. 60% [10% polimerów]
5-10 s
Ok. 1000kg/m

3

Średnio < 5 mikronów

Właściwości lepiszcza po
wyschnięciu

Temperatura mięknienia
Elastyczność przy:
20

o

C

0

o

C

-10

o

C

Adhezja

50-60

o

C

>2000%
>500%
>100%
97% adhezja przy –20

o

C

Właściwości systemu

Odporność na zużycie przez
utratę kruszywa na skutek
ścierania:
20

o

C

0

o

C

-10

o

C

Przyczepność przy 10

o

C na

asfalcie, betonie, drewnie i stali
Paroprzepuszczalność wg DIN
52615
Wodoszczelność DIN 1048
Naprężenie ścinania przy 10

o

C

Ilościowa utrata kruszywa


1,5%
1,5%
1,9%

>1N/mm

2

Ok. 1,5 g/m

2

/dobę

Wodoszczelny
0,26N/mm

2

7. Procedura układania emulsji bitumicznych

Powierzchnia przeznaczona do ułożenia materiału jest czyszczona przy pomocy piaskowania,

śrutowania lub hydromonitoringu tak, że usunięty jest całkowicie brud, kurz, tłuszcz, stare powłoki,
mleczko cementowe oraz luźne cząstki. Następnie powierzchnia ta jest lekko zwilżana. Po dokładnym
wymieszaniu emulsji bitumicznej, w razie potrzeby z barwnym pigmentem, materiał jest gotowy do
użycia.

Pierwsza warstwa wymaga ułożenia ok. 1,2 do 1,5 kg emulsji na każdy metr kwadratowy.

Układanie emulsji odbywa się przy pomocy szczotki lub wałka a następnie, dopóki emulsja pozostaje
mokra, zasypuje się ją kruszywem. Łamanie emulsji następuje umiarkowanie wolno, dzięki czemu
układanie kruszywa odbywa się na ekonomicznie dużej powierzchni, przez co uzyskuje się jednorodną
powierzchnię, a jednocześnie umożliwia kontynuację prac po kilku godzinach. Pierwsza warstwa
powinna być po zasypaniu nadal otwarta, t.j. powinna być nadal widoczna warstwa emulsji. Wymaga to
ok. 8kg kruszywa na metr kwadratowy powierzchni.

Nawierzchnia jest następnie lekko wałowana (dwukrotnie, przy pomocy na przykład 6-8 tonowego

walca na oponach). Kruszywo powinno być lekko wciśnięte w emulsję. Kruszywo luźne należy usunąć.

Druga warstwa emulsji w ilości ok. 1,5 kg/m2 (rys. 6) jest zasypywana ok. 12kg/m

2

kruszywa

(rys. 7) i zagęszczana [7]. Ilość kruszywa użytego w drugiej warstwie musi wystarczyć do całkowitego
przykrycia emulsji. Po zawałowaniu i związaniu emulsji należy usunąć niezwiązane kruszywo.
Szczegółowe ilości przedstawiono w tablicy 7.

51

Rys.6. Układanie warstwy emulsji bitumicznej

Rys.7. Układanie kruszywa na warstwie emulsji

8. Kruszywo

Zaleca się stosować kruszywo frakcji 2/5mm z ograniczeniem ziarna poniżej 2mm do max 10%.

Istotna jest weryfikacja rzeczywiście używanej frakcji.

Kruszywo powinno być wilgotne, przy czym wilgotność na poziomie 1% jest wystarczająca dla

zwilżenia pyłu na powierzchni ziaren, który mógłby wywołać powstanie warstwy pyłu pomiędzy
lepiszczem i kruszywem. Należy unikać nadmiernej ilości wody (5%), w szczególności w warunkach
niesprzyjających parowaniu. W razie deszczu warstwę wykonaną można przykryć.

Nie stawia się szczególnych zaleceń dotyczących rodzaju kruszywa. W zasadzie używa się bazaltu,

lub innego kruszywa o barwie adekwatnej do założonej kolorystyki powierzchni. Należy unikać jednak
kruszyw o budowie łupkowej lub o dużych zawartościach pyłów.

Tablica 7. Szczegółowe własności nawierzchni na emulsji zmodyfikowanej

Pierwsza warstwa

Druga warstwa

Zużycie w kg

na 1 m

2

emulsja

kruszywo

emulsja

kruszywo

Drobne,

łamane

1,2

6-8 (wielkość ziaren

2-6 mm)

1,3

8-12 (wielkość ziaren

2-6 mm)

Grubsze,

łamane

1,4

7-9 (wielkość ziaren

4-8 mm)

1,5

8-12 (wielkość ziaren

2-6 mm)

9. Wykończenia nawierzchni

Przy projektowaniu przejść takich elementów, jak słupki barier lub ogrodzeń czy słupy oświetlenia

przez warstwę nawierzchni dwufazowej podobnie jak przy powłokach z żywic należy poświęcić
odpowiednią uwagę ich wykończeniu (rys. 8). W przeciwnym wypadku system może stracić swoją
wodoszczelność. Zaleca się przykrycie warstwą emulsji dolnych części elementów osadzonych w kapie
chodnikowej: słupków, słupów oświetleniowych i innych.

10. Wnioski

Zaproponowana gama nawierzchni obiektów mostowych przedstawia następujące cechy:
• łatwość układania,

• łagodny reżim technologiczny,

• wodoszczelność,

• ochrona podłoża przed solami,

• chropowatość powierzchni,

• różnorodność kolorystyczna.
W świetle powyższych informacji omawiane nawierzchnie mogą być stosowane jako alternatywne

dla żywic nawierzchnie obiektów mostowych.

52

Literatura

[1] FURTAK K., ŚLIWIŃSKI J.: Materiały budowlane w mostownictwie, WKiŁ, Warszawa 2004.
[2] KALABIŃSKA M., PIŁAT J., RADZISZEWSKI P.: Technologia materiałów i nawierzchni

drogowych, OW PW Warszawa 2003.

[3] LU X., ISACSSON U., EKBLAD J.: Low-temperature properties of styrene-butadiene-styrene

polymer modified bitumens, Construction and Building Materials 12 (1998) 405-414.

[4] LU X., ISACSSON U.: Modification of road bitumens with thermoplastic polymers Polymer

Testing 20 (2001) 77-86.

[5] BŁAŻEJOWSKI K., STYK S.: Technologia warstw bitumicznych, WKiŁ, Warszawa 2000.
[6] Karta Techniczna/102EN/141195.
[7] Aprobata techniczna IBDiM Nr AT/2001-04-1096.
[8] PN-71/S-96034.

MULTI-LAYER BINDER AGGREGATE SYSTEM

FOR BRIDGE SIDEWALKS BASED ON BITUMENS

- ALTERNATIVE FOR EPOXY LAYERS

The work is including the two-layer composite bridge coatings composed of a waterproof membrane and

aggregate. The coating may be used in particular for sidewalks, bicycle roads, but also for carriageways. Based on
the fundamental requirements for coatings parameters of the membrane as well as of the load-carrying aggregate
are discussed. More liberal application conditions in comparison to epoxy materials is underlined.