mosty
mosty
Kompozyty polimerowe
w mostownictwie
- pomosty wielowarstwowe
Dużym problemem konstrukcji mostowych jest ich trwałość. Kompozyty polimerowe w przeciwieństwie do materiałów
Elementem konstrukcyjnym zazwyczaj ulegającym zniszczeniu tradycyjnych odznaczają się małym ciężarem własnym, dużą
w pierwszej kolejności jest płyta pomostu. Jej korozja powo- wytrzymałością i odpornością korozyjną (zwłaszcza na sól).
duje degradację kolejnych elementów konstrukcji i w efek- Obawy przed zastosowaniem FRP wiążą się przede wszyst-
cie obniżenie nośności obiektu. Ponadto wraz z rozwojem kim z brakiem doświadczeń w kwestii trwałości tego materiału
transportu wzrastają wymagania dotyczące nośności obiek- i wyższym od materiałów tradycyjnych kosztem jego produk-
tów mostowych, w związku z tym nawet konstrukcje będące cji. Zaletą jest szybszy i łatwiejszy montaż konstrukcji oraz
w dobrym stanie wymagają modernizacji. Koszty takich re- niższe koszty utrzymania obiektów wykonanych z zastosowa-
montów są zwykle bardzo duże, co jest następstwem długiego niem kompozytu.
wyłączenia obiektu z eksploatacji. Z odsieczą w takich sytu- Poniżej przedstawiono pokrótce rodzaje materiałów stoso-
acjach przychodzą nowe technologie i materiały  wśród nich wanych do produkcji elementów konstrukcyjnych z kompo-
właśnie kompozyty polimerowe. Popularne jest obecnie sto- zytów polimerowych. Opisano ich właściwości pod kątem
sowanie taśm i mat z włókien węglowych przy wzmacnianiu zastosowań w mostownictwie. Zaprezentowano najważniejsze
elementów konstrukcji żelbetowych  dz
wigarów oraz płyt. procesy produkcji. W referacie skupiono się na pomostach
Jednak istnieją granice podnoszenia nośności w taki sposób. kompozytowych, omówiono ich wybrane wady oraz zalety,
Co zrobić, jeżeli nowa nośność jest i tak poniżej wymagań? które poparto kilkoma przykładami z pokazaniem ich zasto-
Może spróbować zmniejszyć ciężar konstrukcji, wymieniając sowania.
pomost konwencjonalny (zazwyczaj żelbetowy) na lżejszy
kompozytowy?  Zaoszczędzone tak obciążenie stałe prze- Co to są kompozyty polimerowe?
znaczyć na zwiększenie obciążenia ruchomego? Pomysł nie Kompozyty są to materiały utworzone z co najmniej dwóch
jest zły, ale, co to jest  pomost kompozytowy ? W niniejszym składników o różnych właściwościach w taki sposób, że uzy-
referacie omówiono właśnie materiał, z którego jest on wyko- skują nowe właściwości w porównaniu z właściwościami
nany  kompozyt polimerowy, sposoby produkcji elementów materiałów składowych. Są one zewnętrznie monolityczne,
z niego wykonanych, a także i same pomosty kompozytowe jednakże z makroskopowo widocznymi granicami między
wraz z kilkoma przykładami ich zastosowań. składnikami. Omawiane kompozyty polimerowe składają się
ze zbrojenia, tzn. włókien oraz spoiwa (w fazie płynnej nazy-
W ciągu ostatnich lat przed mostowcami otworzyły się nowe wanego syciwem), w skład którego wchodzi żywica, utwar-
możliwości. Dzięki lekkim, a przy tym bardziej wytrzymałym dzacz oraz wypełniacze i inne dodatki.
i trwalszym materiałom mogą oni zbliżyć się do granic nieosią- W mostownictwie stosuje się trzy typy kompozytów poli-
galnych dla materiałów tradycyjnych. Materiały te  kompozy- merowych:
ty polimerowe (FRP  z ang. Fiber Reinforced Polymers)  do " zbrojone włóknami węglowymi (CFRP  z ang. Carbon Fiber
tej pory stosowane były z powodzeniem w lotnictwie, prze- Reinforced Polymers),
myśle kosmicznym, przy produkcji samochodów, statków, ło- " zbrojone włóknami szklanymi (GFRP  z ang. Glass Fiber
dzi, wielu rodzajów maszyn i urządzeń. Pierwsze konstrukcje Reinforced Polymers),
budowlane pojawiły się na przełomie lat 60 i 70, natomiast " zbrojone włóknami aramidowymi (AFRP  z ang. Aramid
pierwszy na świecie obiekt mostowy z kompozytów poli- Fiber Reinforced Polymers).
merowych wybudowano w Chinach w miejscowości Miyun Włókna stanowią jeden z dwóch podstawowych elementów
w roku 1982. składowych kompozytów polimerowych. Od ich rodzaju, ilo-
Od tego czasu liczba obiektów mostowych powstałych ści oraz orientacji zależą w głównej mierze mechaniczne wła-
z zastosowaniem FRP stale rośnie. W przypadku wzmacniania ściwości tego materiału, takie jak wytrzymałość na rozciąganie,
konstrukcji stalowych, betonowych czy drewnianych taśmami na zginanie, sztywność itp. O wyborze włókna decyduje nie
lub matami ich liczba zapewne już przekroczyła tysiąc. Kilka- tylko jego wytrzymałość, ale i inne czynniki, na które wpływ
set pozycji liczy również lista kładek kompozytowych (z tego ma sposób produkcji oraz warunki pracy kompozytu. Włókna
większość to konstrukcje kratowe w parkach narodowych z reguły zajmują 30-70% objętości kompozytu. Kompozyty wy-
w USA). Liczba obiektów drogowych  całkowicie kompozy- konane z zastosowaniem włókna szklanego są najtańsze, zaś
towych lub hybrydowych, tzn. stalowo-kompozytowych czy węglowego  najdroższe.
betonowo-kompozytowych - nie osiągnęła jeszcze stu. Podczas gdy włókna spełniają właściwą funkcję niosącą,
42 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09)
mosty
mosty
Rys. 1. Porównanie wartości wytrzymałości na rozciąganie oraz wartości modułów Younga dla różnych materiałów.
spoiwo  drugi z podstawowych składników  ma za zadanie peratury. Jest ona praktycznie niepalna i w wypadku pożaru
utrzymać włókna w projektowanym położeniu geometrycz- wydziela bardzo niewielkie ilości szkodliwych substancji.
nym, przenosić na nie obciążenia, zapewniać odporność na
środowisko, w którym dany element będzie się znajdował, Właściwości kompozytów polimerowych
oraz decydować o właściwościach chemicznych i o palności Poniżej omówiono pod kątem przydatności w budowie mo-
kompozytu. stów najistotniejsze właściwości kompozytów polimerowych
Umieszczenie włókien w spoiwie  nawet w przypadku ich i elementów z nich wytwarzanych.
częściowego uszkodzenia  zapewnia szybkie, ponowne włą- a) Wytrzymałość na rozciąganie oraz sztywność
czenie ich do współpracy i osiągnięcie pełnej wytrzymałości Jak wynika z zestawienia (rys. 1), elementy wykonane
już w niewielkiej odległości od miejsca defektu. z kompozytu polimerowego zbrojonego jednokierunkowo
Głównym składnikiem spoiwa jest żywica. Najszerzej stoso- włóknami węglowymi (CFRP ortotropowy) mają zdecydowa-
wana jest żywica poliestrowa. Swą popularność zawdzięcza nie wyższą wytrzymałość na rozciąganie niż inne materiały.
doskonałym własnościom przetwórczym, możliwości stosowa- W związku z powyższym ten rodzaj kompozytów przezna-
nia praktycznie we wszystkich technikach wytwarzania kom- czony jest przede wszystkim na elementy, które pracują na
pozytów, niskiej cenie i niezłym własnościom użytkowym. rozciąganie  olinowanie mostów podwieszonych, kable sprę-
Wadą żywicy poliestrowej jest jej stosunkowo duży skurcz żające lub też zewnętrzne taśmy wzmacniające, umieszczone
w czasie dotwardzania (hartowania). w strefie rozciąganej wzmacnianych przekrojów.
Żywica epoksydowa jest droższa (kilkakrotnie) i nieco Wartość modułu Younga CFRP ortotropowego jest porów-
trudniejsza w przetwórstwie od poliestrowej, ale pozwala na nywalna z wartością modułu Younga stali. Przy uwzględnieniu
wytwarzanie półproduktów (tzw. preimpregnatów), które do- ciężaru jednostkowego kompozytu, czterokrotnie mniejszego niż
piero przy obróbce końcowej są utwardzane całościowo i do- dla stali (odpowiednio 18,0 i 78,5 kN/m3), elementy z kompozy-
twardzane. Przy tym wyróżnia się bardzo małym skurczem. tu polimerowego zbrojonego włóknem węglowym mają bardzo
Żywica winyloestrowa dzięki swej budowie chemicznej łączy dużą sztywność przy małym ciężarze własnym, co jest ich dużą
niektóre cechy żywicy poliestrowej i epoksydowej. Ma podob- zaletą.
ne cechy przetwórcze i jest utwardzana podobnie jak żywica Nieco gorsze parametry ma GFRP. O ile jego wytrzymałość
poliestrowa, a równocześnie posiada niektóre korzystne właści- na rozciąganie jest większa od stali, chociaż nie jest to regułą,
wości żywicy epoksydowej. W szczególności wyróżnia ją dobra o tyle sztywność nie jest zadowalająca. Jest on jednak materia-
odporność chemiczna i termiczna oraz stabilność wymiarowa. łem znacznie częściej wykorzystywanym ze względu na fakt,
Żywica fenolowa jest najdłużej stosowana w produkcji kom- że w przeciwieństwie do CFRP ma znacznie mniejszą kruchość
pozytów. Charakteryzuje ją duża odporność na wysokie tem- (może przenosić ścinanie) i znacznie niższą cenę.
Rys. 2. Schemat procesu pultruzji.
GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09) 43
mosty
mosty
Rys.3. Metoda formowania ręcznego z przesycaniem próżniowym na przy-
b) Anizotropowość
kładzie produkcji pomostu Hardcore.
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- a) układanie kolejnych warstw tkaniny z włókien szklanych, stanowiących
zbrojenie dolnej płyty pomostu
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
b) układanie zbrojenia środnika  elementem dystansującym są kostki pian-
doświadczeń pozwalających określić trwałość kompozytów
kowe, wokół których układa się zbrojenie
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.
c) widok pomostu przed ułożeniem tkaniny z włókien szklanych stanowią-
g) Dobra praca w bardzo niskich temperaturach.
cej zbrojenia górnej płyty pomostu
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 80o 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
d) Przesycanie próżniowe zbrojenia pomostu syciwem pod szczelnym przy-
zagrożenia pożarem, można poprawić jej odporność poża-
kryciem foliowym,
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
e) Układanie nawierzchni na gotowym pomoście.
44 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09)
mosty
mosty
Konieczność zespole- Połączenie Połączenie pomost-
System Grubość pomostu Metoda wytwarzania
nia z dz
wigarami pomost-pomost dz
wigar
Hardcore różna nie klejone nieopracowane ręczna
Kansas różna nie klejone zaciski ręczna
Superdeck 203 mm tak klejone klej/sworznie pultruzja
klejone
DuraSpan 190 mm tak sworznie pultruzja
+ mechaniczne
klejone
Virginia Tech 171 mm tak sworznie pultruzja
+ mechaniczne
EZ-Span 216 mm tak klejone nieopracowane pultruzja
klejone
ACCS nie nieopracowane pultruzja
+ mechaniczne
ASSET 225 mm tak klejone klej pultruzja
F10 220 mm tak klejone nieopracowane nawijanie, pultruzja
Tab. 1. Porównanie systemów pomostów kompozytowych.
i aramidowymi. Pod względem zapotrzebowania na energię " formowania ręcznego,
wyprodukowanie profilu kompozytowego z włókien szkla- " formowania ręcznego z przesycaniem próżniowym
nych ze spoiwem polimerowym metodą pultruzji wynosi 1/4 " wtryskową,
energii potrzebnej na wyprodukowanie profilu stalowego i 1/6 " wyciskania na mokro,
 aluminiowego. " wyciskania na sucho (preimpregnaty),
j) Estetyka " formowania w autoklawie (preimpregnaty),
Procesy produkcji FRP zapewniają najczęściej wysoką do- " nawijania,
kładność wykonania elementów, umożliwiają wprowadzenie " pultruzji.
pigmentów (chociaż istnieje również możliwość malowania po- Z punktu widzenia zastosowań w mostownictwie w zasa-
wierzchni) oraz uzyskania faktury na powierzchni zewnętrznej. dzie ta ostatnia zasługuje na największą uwagę. Automatyza-
k) Mały ciężar jednostkowy cja procesu pultruzji, przy zachowaniu odpowiedniej jakości
 Odciążenie konstrukcji skutkuje możliwością stosowania kontroli, gwarantuje mniejszy rozrzut właściwości (z powo-
fundamentów o mniejszych wymiarach. Dodatkową zaletą du mniejszego wpływu czynnika ludzkiego) oraz możliwość
jest również zmniejszenie kosztów załadunku, transportu oraz szybkiej produkcji dużej liczby powtarzalnych elementów.
montażu, związane z uniknięciem konieczności stosowania W pewnym stopniu takie efekty daje też technologia nawi-
ciężkiego sprzętu. jania (druga metoda pod względem zautomatyzowania), ale
l) Szybki i łatwy montaż przy zastosowaniu minimalnej ilości z uwagi na uzyskiwanie niższych parametrów określających
sprzętu ciężkiego różne właściwości materiałowe, w praktyce jest stosowana
Jest to cecha ściśle związana z małym ciężarem jednostko- bardzo rzadko w przypadku produkcji elementów konstruk-
wym tego materiału i możliwością montażu poza placem bu- cyjnych.
dowy, na który konstrukcja zostaje przywieziona w ostatnim Pultruzja (rys. 2) przeznaczona jest do produkcji profili
momencie i w przypadku małych obiektów w całości, więc o stałym przekroju poprzecznym. Zbrojenie, a w dalszym
może być od razu ustawiana na podporach. etapie gotowe elementy, przeciąga się przez kolejne urzą-
m) Stabilność wymiarowa dzenia. To właśnie przeciąganie decyduje o ich belkowym,
Uzyskanie dużej dokładności wymiarów elementów wyko- prostoliniowym charakterze (nie można w ten sposób uzy-
nywanych na placu budowy (jak np. elementów żelbetowych) skać elementów zakrzywionych w planie).
często sprawia problemy wykonawcom. Proces pultruzji oraz Ręczne technologie, choć czasami pozwalają uzy-
prefabrykacja w zakładzie montażowym zapewnia dokładność skać lepsze charakterystyki materiałowe w pojedyn-
wymiarów oraz pełną powtarzalność form. czych elementach czy nawet całych konstrukcjach, nie-
n) Koszt całkowity stety nie sprzyjają szybkiej produkcji masowej. I chociaż
Należy zwrócić uwagę na to, że pomimo wciąż wysokiej wytwarza się za jej pomocą niektóre pomosty, powoli
ceny materiału w porównaniu do materiałów tradycyjnych, się od tego odchodzi. Rachunek ekonomiczny prowa-
ostatnio znacząco się ona zmniejszyła (np. cena CFRP spadła dzi do wniosku, że w przypadku produkcji dużych par-
w ciągu ostatnich 10 lat o 50%). Oszacowując koszty wielo- tii materiału nie są one konkurencyjne w porównaniu
letniego utrzymania obiektów, elementy z polimerów zbrojo- z procesami o charakterze przemysłowym. Niemniej war-
nych włóknami stają się coraz bardziej konkurencyjne. to prześledzić jedną z nich (rys. 3), za pomocą której wy-
konano jeden z pomostów przedstawionej w dalszej części
Produkcja kompozytów polimerowych referatu. Jest to metoda formowania ręcznego z przesyca-
Warunkiem uzyskania zamierzonych właściwości kompozy- niem próżniowym (z ang. VARTM  Vacuum Assisted Resin
tu polimerowego jest odpowiednie powiązanie ze sobą, za po- Transfer Holding). Warto jeszcze raz podkreślić, że w prze-
mocą spoiwa, zbrojenia w procesie produkcji. Im większy jest ciwieństwie do wspomnianej wcześniej pultruzji metoda ta
stosunek objętościowy zbrojenia w kompozycie, tym lepiej. z powodu czasochłonności nadaje się raczej do produkcji
Jest to jedno z podstawowych kryteriów przy ocenie przydat- małych partii materiału. Zaletą jej jest, że w takim przypadku
ności technologii wytwarzania kompozytów polimerowych, nie wymaga wielkich nakładów finansowych  największy
których jest bardzo dużo  od technologii całkowicie zależ- koszt produkcji stanowi materiał. Oprzyrządowanie zaś jest
nych od czynnika ludzkiego (ręcznych) aż do prawie zupełnie tanie i stosunkowo proste. Składa się z formy wykonanej ze
niezależnych (zautomatyzowanych). Wyróżnia się metody: sklejki, przykrycia foliowego oraz pompy próżniowej.
GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09) 45
mosty
mosty
Rys.4. Różne systemy pomostów kompozytowych (pod zdjęciem: nazwa oraz, w nawiasie, producent
Wielowarstwowe pomosty
i kraj pochodzenia pomostu).
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-
Hardcore (Hardcore Composites, Kansas (Kansas Structural Composites, Superdeck (Creative Pultrusion,
sty drogowe  wielowarstwowe.
USA) Inc., USA) Inc., USA)
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
EZ-Span (Creative Pultrusion,
DuraSpan (Martin Marietta Com-
płyty betonowej), dużą wytrzyma-
Virginia Tech (Strongwell, USA)
Inc., USA)
posites, USA)
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
ACCS (Maunsell Structural Pla- F10 (Wardrop Engineering, Inc.
ASSET (Fiberline A/S, Dania)
w procesie pultruzji, lecz spotyka
stics, Wielka Brytania Kanada)
się także elementy wytworzone
w procesie formowania ręcznego. Grubości sandwiczy są za-
zwyczaj stałe dla danego sytemu i wynoszą około 170-230 mm. Równie istotnym problemem są sposoby łączenia pomo-
Jako nawierzchnie stosuje się najczęściej beton polimerowy stów z dz
wigarami. Mogą one być realizowane jako połącze-
o grubości 10-20 mm, który jest nanoszony jeszcze przed mon- nia klejone lub mechaniczne, z których te ostatnie są spoty-
tażem płyt pomostowych do dz
wigarów. kane znacznie częściej. Jedne z nich pozwalają na współpracę
Porównanie wybranych systemów pomostów i ich kon- płyty z dz
wigarami zarówno przy rozciąganiu, jak i ściskaniu
strukcję przedstawiono w tab. 1 oraz na rys.4. (pełne zespolenie), inne służą zaś jedynie jako umocowanie
płyty, która w tym przypadku pracuje jedynie w kierunku po-
Realizacja połączeń w pomostach sandwiczowych przecznym. Przykładowe rozwiązanie dla pomostu DuraSpan
Wzajemne połączenia pomostów są realizowane za pomo- oraz dz
wigarów betonowego i stalowego zostało przedstawio-
cą połączeń klejonych, uzupełnianych niekiedy połączeniami ne na rys. 7.
mechanicznymi. Schemat kilku rozwiązań takich połączeń
przedstawia rys. 5, a sposób wykonywania przykładowego Dla systemu DuraSpan opracowano również cztery różne
połączenia klejonego  rys. 6. technologie montażu barier ochronnych (rys. 8). Ostatni 
46 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09)
mosty
mosty
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,
Rys. 5. A
ączenie pomostów kompozytowych: a) Hardcore, b) Superdeck, c) F10, d) ASSET,
ponieważ pomost jest elementem znacznie
e) ACCS, f) Kansas.
bardziej odkształcalnym niż masyw przy-
czółka, a krawędz
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-
Rys.6. Połączenie elementów systemu ASSET w drogowym moście West Mill w Wielkiej Brytanii
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 Rys.7. Przykład połączenia pomostu kompozytowego DuraSpan z dz
wigarem betonowym oraz
dz
wigarem stalowym.
(dz
wigary 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 dz
wigarów 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
Rys.8. Różne systemy montażu barier ochronnych dla systemu DuraSpan.
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 27o.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/m2). Wzrosła
Rys.9. Sposób sztywnego łączenia pomostu DuraSpan z przyczółkiem i jego konsekwencje.
nośność obiektu do zakładanej według ame-
GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09) 47
mosty
mosty
Rys.10. Most Warren Pony Truss.
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-
a) widok mostu przygotowanego
b) układanie pomostu Hadrcore
ba było wymieniać całego mostu, co kosztowałoby ok. 2 200
na układanie pomostów Hardcore
tys. dolarów. Wymieniono jedynie pomost, co kosztowało
430 tys. dolarów (1300 dolarów za m2), 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).
d) uszkodzenie nawierzchni powsta-
Drugim mostem jest również obiekt kratowy o jezdni
c) widok mostu po remoncie
łe kilka miesięcy po remoncie
dolnej - Camelback Truss (rys. 11). Most został zbudowany
w 1933 roku nad rzeką Schroon w miejscowości Warrens- Rys.11. Most Camelback Truss.
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
a) widok mostu b) układanie pomostu DuraSpan
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
c) połączenie pomostu z dz
wiga- d) uszkodzenie nawierzchni po-
w miejscowości Rexville w stanie Nowy Jork (rys. 12)  nowy
rem przed betonowaniem wstałe kilka miesięcy po remoncie
obiekt wybudowany w 1998 roku w miejscu starego żelbeto-
wego mostu z roku 1926. Rozpiętość jego jest niewielka  za- Rys.12. Most nad potokiem Bennetts w miejscowości Rexville w stanie Nowy Jork.
ledwie ok. 7,6 m, przy szerokości ok. 10 m oraz skosie 30o.
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-
a) widok starego mostu b) obciążenia próbne nowego mostu
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 m2). 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-
c) bariera ochronna przed zabeto- d) uszkodzenie nawierzchni na sty-
likonem, spowodował uszkodzenie nawierzchni. Stało się to
nowaniem ku przyczółka
mimo niewielkiego natężenia ruchu na obiekcie  dziennie
Rys.13. Most drogowy West Mill.
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 paz
dzierniku
a) budowa mostu b) gotowy obiekt w dniu otwarcia
48 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09)
mosty
mosty
2002 roku. Jego konstrukcja nośna składa się  z czterech
dz
wigarów 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 dz
wigarów - 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 dz
wigarów, 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.
prof. dr hab. inż. Henryk Zobel
mgr inż. Wojciech Karwowski
autor
Politechnika Warszawska
Instytut Dróg i Mostów
GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 02/2006 (09) 49