Warunki obciążenia nawierzchni mostowych

Obciążenie ruchem

Od obciążenia kół pojazdów samochodowych w nawierzchni mostowej, podobnie jak w nawierzchni poza obiektem, powstają naprężenia i odkształcenia ściskające
i rozciągające mogące spowodować trwałe deformacje lepkoplastyczne i spękania zmęczeniowe warstw asfaltowych. Większa sztywność podłoża nawierzchni asfaltowej
(płyta pomostu powoduje, że takie samo obciążenie wywołuje w niej większe naprężenia, zwiększając możliwość powstania trwałych odkształceń. Często jest to widoczne
w nawierzchniach mostowych, zwłaszcza na pomostach betonowych o większej
sztywności [3] [67].

W spodzie nawierzchni asfaltowej obciążenie kołami pojazdów powoduje powstawanie naprężeń rozciągających, które choć jednostkowo nie wyrządzają doraźnej szkody, to ich powtarzalność powoduje szkody zmęczeniowe nawierzchni. W nawierzchni na sztywnym podłożu płyty pomostu naprężenia te są większe niż na podatnym podłożu korpusu ziemnego, wskutek czego trwałość zmęczeniowa materiału w nawierzchni mostowej jest mniejsza niż tego samego materiału w nawierzchni na korpusie drogowym [67].

Nawierzchnia mostowa pracuje wraz z pomostem, a naprężenia powstające w nawierzchni zależne są od pracy konstrukcji. Jednak nawierzchnia mostowa pracuje inaczej niż drogowa, bowiem naprężenia rozciągające powstają nie tylko w spodzie warstw asfaltowych, lecz także na jej powierzchni [3] [67].

Naprężenia rozciągające w górnej strefie nawierzchni asfaltowej zależą od jej grubości i sztywności (rysunek nr 3.3.) [3] [67].

Rysunek 3.3. Naprężenia rozciągające przy zginaniu σ_rz w górnej strefie nawierzchni

nad środkiem podpory w zależności

od dynamicznego modułu sztywności nawierzchni E_dyn[3] [67].

Z rysunku 3.3. wynika, że ze względu na odporność na spękania zmęczeniowe od naprężeń rozciągających w górnej strefie korzystniejsze są grubsze nawierzchnie [3].

Naprężenia rozciągające na spodzie warstw asfaltowych (w dole warstwy ochronnej nawierzchni) zależą przede wszystkim od rodzaju warstw asfaltowych (rodzaj mieszanki mineralno – asfaltowej), grubości warstw, jakości połączenia międzywarstwowego pomiędzy warstwą ścieralną i ochronną nawierzchni oraz pomiędzy nawierzchnią asfaltową a izolacją i izolacją a pomostem. Praktyka dotychczasowa wskazuje, że szczególnie niebezpieczna jest utrata połączenia izolacji z pomostem i nawierzchni z izolacją skutkująca gwałtownym zmniejszeniem trwałości nawierzchni [3].

Zwłaszcza w nawierzchni mostowej konieczne jest zapewnienie połączenia pomiędzy jej warstwami i pomostem. Brak połączenia międzywarstwowego powoduje, że naprężenia rozciągające w spodzie warstw asfaltowych są większe, nawet dwukrotnie
(rys. 3.4.). To zaś pod powtarzalnym obciążeniem ruchem samochodowym powoduje szybsze uszkodzenia zmęczeniowe, objawiające się siatkowym pękaniem nawierzchni [67].

Rysunek 3.4. Naprężenie rozciągające a pod obciążeniem kołem 50 kN w spodzie warstw asfaltowych nawierzchni drogowej w zależności od modułu sztywności E i połączenia międzywarstwowego: a - brak połączenia między trzema warstwami, b - brak połączenia między warstwą wiążącą a podbudową, c - brak połączenia między warstwą ścieralną a wiążącą,

d - połączenie między trzema warstwami [67].

Taki sam mechanizm występuje w nawierzchni mostowej. Szczególnym aspektem są w tym wypadku połączenia: izolacji z pomostem i nawierzchni z izolacją bądź nawierzchni bezpośrednio z pomostem. Częstą przyczyną uszkodzeń jest brak połączenia nawierzchni asfaltowej z izolacją pomostu betonowego [67].

Naprężenie ścinające w połączeniu nawierzchni z pomostem stalowym zależy od dynamicznego modułu sztywności nawierzchni oraz od jej grubości (rys. 3.5.).
Grubsza nawierzchnia zapewnia mniejsze naprężenie ścinające, zwłaszcza jeśli jest sztywniejsza. Cieńsza nawierzchnia powinna być natomiast mniej sztywna [67].

Rysunek 3.5. Naprężenie ścinające w połączeniu nawierzchni ze stalową płytą pomostu w sąsiedztwie podpory, H - grubość nawierzchni [67].

Duże naprężenia ściskające od obciążeń kołowych na mostowych nawierzchniach asfaltowych mogą powodować płynięcie materiału lepkosprężystego, jakim jest mieszanka mineralno-asfaltowa. Jest to szczególnie niebezpieczne w okresie letnich upałów, kiedy temperatura nawierzchni może osiągać 70°C (w temperaturze powietrza około 35°C) [3].

Naprężenie w połączeniach warstw w każdym wypadku zależy od modułu sztywności nawierzchni. Moduł zależy natomiast od temperatury i od częstotliwości (czasu) obciążenia. Im mniejszy moduł sztywności, tym mniejsze naprężenie w nawierzchni.
Ta zależność stanowi jedno z podstawowych uzasadnień stosowania specjalnych lepiszczy w nawierzchniach mostowych. Lepiszczy, które nie są zbyt sztywne, ale wykazują zwiększoną zdolność relaksacji naprężenia i odkształcenia w niskiej temperaturze oraz przenoszenia naprężenia i odkształcenia rozciągającego. Zalecane jest zatem stosowanie materiałów asfaltowych, których termiczny zakres lepkosprężystości jest szeroki, zapewniający nawierzchni zachowanie właściwości sprężystych (sztywności) w wysokiej temperaturze i właściwości lepkich w niskiej temperaturze. Wymagania te spełniają polimeroasfalty, a zwłaszcza elastomeroasfalty, które powszechnie znalazły zastosowanie w mostowych systemach izolacyjno-nawierzchniowych.

Wpływ grubości nawierzchni

Gdy moduł sztywności nawierzchni jest większy, np. w niższej temperaturze, grubość nawierzchni istotnie wpływa na wielkość naprężenia rozciągającego w górnej strefie nawierzchni i ścinającego w połączeniu z płytą pomostu (lub z izolacją i izolacji z płytą). Oznacza to, że w niskiej temperaturze, gdy nawierzchnia asfaltowa staje się sztywniejsza, im cieńsza nawierzchnia, tym większe niebezpieczeństwo uszkodzenia. Przy tym uszkodzenie może następować dwojako [67]:

• wskutek odspojenia nawierzchni od płyty (lub nawierzchni od izolacji i/ lub izolacji od płyty), prowadząc do utraty połączenia międzywarstwowego, które z kolei powoduje wzrost wielkości naprężenia rozciągającego w spodzie nawierzchni asfaltowej i przyśpieszone uszkodzenie zmęczeniowe - pękanie postępujące od spodu nawierzchni, bądź

• wskutek zmęczenia w górnej strefie nawierzchni - pękanie postępujące od powierzchni.

Uszkodzenie nawierzchni mostowej może zatem następować obustronnie: od dołu i od góry [67].

Z przedstawionej analizy wyraźnie wynika, że najkorzystniejsze byłyby grube nawierzchnie mostowe. Dlatego też w szwajcarskich zaleceniach wyraźnie podaje się, żeby grubość nawierzchni mostowej, uwzględniając odchyłkę dopuszczalną w dół, była nie mniejsza niż grubość projektowana. Gruba nawierzchnia mostowa kłóci się jednak z dążeniem projektantów i konstruktorów obiektów mostowych do zmniejszania ciężaru własnego konstrukcji. Dwuwarstwowa tradycyjna nawierzchnia o grubości 10 cm ma masę 250 kg/m², co stanowi poważne obciążenie własne [67].

Temperatura i woda opadowa

Nawierzchnia mostowa w znacznie większym stopniu narażona jest na obciążenia termiczne niż nawierzchnia drogowa. Szybsze są dobowe zmiany temperatury i większy jest ich gradient. Nie występuje tu bowiem łagodzące działanie korpusu ziemnego o dużej bezwładności termicznej [3] [67].

W przeciwieństwie do nawierzchni drogowej nawierzchnia mostowa poddawana jest zmianom temperatury z obu stron. Zmiany temperatury powietrza oddziałują na nawierzchnię zarówno z góry, jak i od dołu przez płytę pomostu. Szybkie zmiany temperatury nawierzchni skutkują powtarzającymi się na przemian naprężeniami ściskającymi i rozciągającymi, które w efekcie mogą powodować spękania zmęczeniowe w warstwach konstrukcyjnych nawierzchni. Efekt ten jest trudny do samoistnego zaobserwowania, bowiem nakłada się on na zmęczenie pod obciążeniem ruchem pojazdów. Jeśli nałoży się na to szkodliwe działanie wody i środków odladzających może nastąpić zniszczenie nawierzchni w postaci ubytków kruszywa i lepiszcza asfaltowego, jak również może powstać niebezpieczeństwo korozji obiektu mostowego [3] [67].

W Umea, mieście północnej Szwecji, oddany został most drogowy, w którym zastosowano nową metodę odśnieżania – ogrzewanie nawierzchni. Most został zbudowany w związku z realizacją magistrali kolejowej tzw. Botaniabanan, która będzie przebiegać przez Umea. Ze względu na istniejące warunki terenowe most ten – w kształcie łuku o dużej krzywiźnie – musiał posiadać znaczne pochylenie dochodzące do 7%. W tamtejszych warunkach klimatycznych sprawą bardzo istotną było należyte zabezpieczenie jezdni przed zimą. Duże pochylenie i szybkie zmiany pogody zdecydowały, że zrezygnowano ze stosowania w Umea posypywania piaskiem na korzyść ogrzewania nawierzchni. W tym celu ułożono 7500 metrów bieżących rur o średnicy 5 cm w wierzchniej warstwie odpornego na ścieranie betonu. Łącznie do budowy mostu zużyto 3250 metrów sześciennych betonu klasy C35/45, o współczynniku wodno – cementowym poniżej 0,40 [16].

Szerokość mostu wynosi 10 do 20 m, wysokość od powierzchni terenu 1 do 7 m, długość 150 m. Mając na uwadze możliwość ewentualnych napraw i remontów w przyszłości, całość wykonano w postaci oddzielnych segmentów. Decyzja budowy jezdni z betonu, a nie położenia warstwy asfaltu, podyktowana została obawą zbyt dużych odkształceń, jakie mogą wystąpić po jej ogrzaniu i gwałtownym hamowaniu pojazdów [16].

Woda otrzymywana ze stopionego śniegu odprowadzana jest również podgrzewanymi rurami. Mając na uwadze dużą zmienność temperatur w tym rejonie, cały system ogrzewania będzie automatycznie sterowany przy pomoc specjalnych czujników. One będą uruchamiać cały system przy spadku temperatury poniżej +5ºC.

Konstrukcja nawierzchni na mostach stalowych

Na stalowych pomostach drogowych układa się nawierzchnie asfaltowe składające się z następujących warstw [3].

Nawierzchnia:

• warstwa ścieralna,

• warstwa ochronna,

• warstwa klejąca lub buforowa lub asfaltowy mastyks wzmocniony grysem,

Hydroizolacja:

• wsratwa sczepna,

• warstwa gruntująca,

Nawierzchnia asfaltowa układana na hydroizolacji składa się z warstwy ścieralnej i ochronnej. Warstwa ochronna poza obiektem mostowym w konstrukcji nawierzchni położonej na korpusie ziemnym nosi nazwę warstwy wiążącej [3].

Warstwa ochronna nawierzchni mostowej ma na celu zabezpieczenie izolacji przed uszkodzeniem podczas wykonywania warstwy górnej nawierzchni i później w czasie eksploatacji [3].

Warstwa ścieralna nawierzchni mostowej pełni podobną rolę jak w nawierzchni w korpusie ziemnym, lecz ze względu na szczególne warunki obciążenia (szybkie zniszczenie zmęczeniowe nawierzchni asfaltowej na obiekcie mostowym) oraz rolę jaką pełni na obiekcie mostowym (zapewnienie szczelności i ochronę płyty pomostu) powinna mieć strukturę szczelną, zamkniętą [3].

Powłoka hydroizolacyjna na stalowym pomoście jest to warstwa ochronna niemetalowa, izolująca mechanicznie chronioną powierzchnię stali od środowiska korozyjnego. Składa się ona z następujących warstw [3] [51]:

• warstwa gruntująca – przylegającej bezpośrednio do powierzchni stali i zapewniającej odpowiednią przyczepność powłoki do podłoża, a jednocześnie poprawiającej jej właściwości antykorozyjne,

• warstwa sczepna – uszczelniającej hydroizolację i łączącej zagruntowane podłoże stalowe z warstwami asfaltowymi nawierzchni,

• warstwy klejącej – stosowanej w niektórych systemach do łączenia pozostałych warstw hydroizolacji z warstwami asfaltowymi nawierzchni,

• warstwy buforowej – pośredniej między warstwą sczepną z posypką mineralną a warstwą ochronną nawierzchni.

Poniżej przedstawiono przykładowe układy warstw hydroizolacji na stalowym pomoście [3].

Powłoka hydroizolacyjna z żywic chemoutwardzalnych.

Wariant I:

Nawierzchnia:

• warstwa ścieralna,

• warstwa ochronna,

• warstwa buforowa.

Hydroizolacja:

• posypka mineralna,

• warstwa czepna z żywicy,

• warstwa gruntująca z żywicy,

Wariant II:

Nawierzchnia:

• warstwa ścieralna,

• warstwa ochronna.

Hydroizolacja:

• warstwa klejąca,

• warstwa czepna z żywicy,

• warstwa gruntująca z żywicy.

  1. Konstrukcja nawierzchni na mostach betonowych

Warstwa ścieralna i ochronna nawierzchniowa spełniają takie same role, jak w konstrukcji nawierzchni na pomoście stalowym [3].

Zadania warstwy gruntującej na podłożu betonowym są następujące [3]:

• wzmocnienie podłoża przez jego powierzchniową impregnację (głębokość impregnacji równa co najmniej 1 mm),

• uszczelnienie mikrorys, pęknięć skurczowych, zmniejszenie nasiąkliwości strefy przypowierzchniowej w celu zmniejszenia do minimum kondensacji pary wodnej w porach betonu bezpośrednio pod hydroizolacją,

• wyparcie wilgoci znajdującej się w porach betonu przy powierzchni i związanie drobnych pyłów znajdujących się na powierzchni betonu.

Ważnym elementem w systemie hydroizolacji na pomoście betonowym jest warstwa ochronna izolacji, spełniająca następujące funkcje [3]:

• stanowi ochronę przed uszkodzeniem warstwy hydroizolacyjnej w czasie prac na zaizolowanym pomoście,

• zapobiega przenikaniu materiału asfaltowego z warstwy hydroizolacji do warstw nawierzchniowych,

• stanowiąc warstwę przejściową przyczynia się do stopniowej relaksacji naprężeń i kompensacji odkształceń spowodowanych obciążeniem użytkowym i termicznym między nawierzchnią a konstrukcją pomostu.

W przypadku wykonywania warstw hydroizolacyjnych z chemoutwardzalnych żywic syntetycznych należy stosować warstwy sczepne. Podstawową funkcją warstwy sczepnej jest zapewnienie odpowiedniej przyczepności nawierzchni drogowej do hydroizolacji. Funkcję warstwy sczepnej w takim rozumieniu na pomostach stalowych spełnia warstwa klejąca [3].

Asfaltowa nawierzchnia mostowa

Najbardziej znanymi nawierzchniami mostowymi i praktycznie jedynie wykonywanymi w Polsce są nawierzchnie asfaltowe [3].

Nawierzchnie na obiektach mostowych wykonuje się z reguły z betonu asfaltowego. Beton asfaltowy jest materiałem kompozytowym, w którym rolę matrycy spełnia lepiszcze bitumiczne modyfikowane różnymi substancjami, zaś rolę wypełniacza kruszywo kamienne. Beton ten produkuje się w wytwórniach zwanych otaczarniami [2].

Asfalt to materiał o barwie od brązowej do czarnej, konsystencji stałej lub półstałej, właściwościach wiążących, występujących w naturze lub wyprodukowany z ropy naftowej. Asfalty pochodzące ze złóż nazywamy asfaltami naturalnymi, a otrzymane w wyniku przeróbki ropy naftowej – asfaltami naftowymi [1].

Termin bitum lub materiał bitumiczny jest pojęciem szerszym niż asfalt. Obejmuje on substancje zbudowane głównie z ciężkich węglowodorów, które są rozpuszczalne w dwusiarczku węgla. Do materiałów bitumicznych zalicza się ropę naftową, asfalty naftowe i naturalne, woski mineralne, asfaltyty oraz smoły i paki węglowe [1].

W Polsce, tak jak w Stanach Zjednoczonych, termin asfalt jest zarezerwowany dla lepiszczy otrzymywanych z ropy naftowej, natomiast w innych krajach Europy asfalt oznacza mieszaninę lepiszcza i kruszywa, a samo lepiszcze asfaltowe określane jest jako bitum [1].

Podobnie jak nawierzchnie asfaltowe na korpusie drogowym nawierzchnie na obiektach mostowych ulegają zniszczeniom. Jednakże w przypadku nawierzchni mostowych, ze względu na szczególne warunki obciążenia, na źle wykonanych nawierzchniach zniszczenia te mogą pojawić się znacznie wcześniej i mogą być bardziej dotkliwe dla konstrukcji i dla użytkownika drogi [3].

Na drogowych obiektach mostowych nawierzchnię należy układać i zagęszczać mechanicznie bezpośrednio na wykonanej izolacji przeciwwodnej. Izolacja powinna zawierać własną warstwę ochronną [23] [25].

Zaleca się następujące typowe nawierzchnie mostowe z dwóch warstw asfaltowych na izolacji mostowej [23] [25]:

• Wariant SMA :

• warstwa ochronna z mastyksu grysowego SMA

• warstwa ścieralna z mastyksu grysowego SMA

• Wariant AL :

• warstwa ochronna z asfaltu lanego (rozkładanego mechanicznie)

• warstwa ścieralna z asfaltu lanego (rozkładanego mechanicznie)

• Wariant AL.+ SMA:

• warstwa ochronna z asfaltu lanego (rozkładanego mechanicznie)

• warstwa ścieralna z mastyksu grysowego SMA.

Mastyks grysowy SMA

Tworzywa bitumiczne modyfikowane polimerami wykonywane w oparciu o technologię SMA są jedną z odmian betonu asfaltowego stosowanego do nawierzchni.
Dzięki dodatkowi polimeru mają one zalety betonu asfaltowego oraz asfaltu lanego układanego mechanicznie. Wytwarzana z nich nawierzchnia charakteryzuje się szczelnością i odpornością na działanie czynników atmosferycznych oraz deformacje lepksoprężyste. Materiały te są wskazane do wykonywania warstw ochronnych, wiążących i ścieralnych. Można z nich wykonywać warstwy grubości 2÷5 cm [2].

Mieszankę SMA wytwarza się w takich samych otaczarniach (o mieszaniu cyklicznym lub ciągłym) i materiałów tradycyjnie stosowanych do betonu asfaltowego. Nawierzchnię tę układa się za pomocą rozścielaczy wykorzystywanych do układania betonu asfaltowego, natomiast zagęszcza walcami stalowymi [2].

Temperatura wytwarzania mieszanki SMA z dodatkiem Vestoplastu S powinna wynosić około 140ºC. W przypadku stosowania Cariflexu TR temperatura wytwarzania mieszanki nie może być niższa niż 175ºC [2] [4].

Ostatnimi czasy coraz częściej na chodnikach stosuje się cienkowarstwowe nawierzchnie polimerowe o grubości kilku milimetrów. Do ich wykonania zazwyczaj stosuje się polimery modyfikowane emulsja smołową lub asfaltową. Nawierzchnie takie można także stosować na jezdniach mostów znajdujących się w ciągu dróg o ruchu lekkim [2].