płyt lotniskowych
Możliwie krótkie wyłączenia nawierzchni z użytkowania na czas naprawy, uszkodzenia powstające wkrótce po remoncie, nietrwałe naprawy – oto niektóre z problemów pojawiających się w trakcie eksploatacji płyt lotniskowych.
Nawierzchnie betonowe należą do sztyw-nych układów konstrukcyjsztyw-nych, wyko-rzystywanych w budowie lotnisk, dróg i autostrad oraz posadzek w halach prze-mysłowych. Stosowane są zwłaszcza tam, gdzie występują duże obciążenia i wy-magana jest odporność na odkształcenia trwałe. Nawierzchnie te podlegają cięż-kim i bardzo ciężcięż-kim klasom obciążenia.
Równoczesne działanie obciążenia eks-ploatacyjnego i niekorzystnych czynników atmosferycznych są powodem powstawa-nia uszkodzeń nawierzchni betonowych.
Nawierzchnie lotniskowe należą do grupy budowli najsilniej obciążonych działaniem cyklicznie zmiennych (dobowo i rocznie) pól termicznych i występujących okre-sowo wód opadowych (powodujących destrukcję podłoża gruntowego) oraz podlegających statycznym i dynamicz-nym obciążeniom zmiendynamicz-nym. Te ostat-nie pochodzą od lądujących i kołujących statków powietrznych, przekraczających nierzadko masę 200 ton. Pasy startowe,
drogi kołowania i płaszczyzny postojowe są pod względem nośności określane kla-są PCN, w której podstawą klasyfikacji jest ocena sztywności nawierzchni lotnisko-wej. Jest ona porównywana z klasą ACN lądującego statku powietrznego, wytwa-rzającego siły dynamiczne działające na płyty betonowe swobodnie podparte na podłożu sprężystym.
W betonowych nawierzchniach z beto-nu cementowego odnotowuje się wiele rodzajów uszkodzeń spowodowanych pojedynczymi lub złożonymi przyczyna-mi. Wiele z nich ma charakter i uwarun-kowania wystąpienia podobne do tych, jakie spotykane są na nawierzchniach drogowych i posadzkach. Ze względu na obszerność zagadnienia, opisywanego w wielu publikacjach, ograniczono się do zaprezentowania i skomentowania jedynie wybranych rodzajów uszkodzeń oraz przyczyn ich powstania, stwarzają-cych zagrożenie dla bezpieczeństwa ru-chu lotniczego.
technologie
betonu (fot. 1a). Fragmenty te stanowią bezpośrednie zagrożenie dla statków powietrznych, gdyż zassanie ich do silnika samolotu może spowodować katastrofę lotniczą lub w najlepszym razie kosz-towną naprawę. Innym zagrożeniem są uskoki przekraczające kilkanaście mi-limetrów wysokości, występujące na krawędziach szczelin dylatacyjnych lub w miejscu pęknięcia. Powstają one w wy-niku klawiszowania sąsiednich płyt lub
ich uszkodzonych fragmentów, a utwo-rzone progi o wysokości 2–3 cm powodu-ją powstanie niebezpieczeństwa dla ruchu kołowego (fot. 1b) i dlatego muszą być eliminowane z powierzchni nawierzch-ni lotnawierzch-niskowej. Przedstawione przykłady uszkodzeń nie powstają w sposób nagły, lecz są pochodną działania procesów destrukcyjnych rozłożonych w czasie, których mechanizm jest najczęściej złożony.
Skutki oddziaływania koncentracji naprężeń
Jedną z najczęstszych przyczyn występo-wania uszkodzeń w płytach betonowych jest występowanie efektu koncentracji naprężenia w skali makro. Z reguły wy-stępuje on tam, gdzie w nawierzchniach lotniskowych dochodzi do punktowego docisku sąsiednich elementów betono-wych. Naprężenia ściskające skupione w jednym punkcie osiągają wartości prze-kraczające wytrzymałość betonu, prowa-dząc tym samym do rozłupania płyty na dwie części (fot. 2b) lub do odłupania jej fragmentu (fot. 2d i e). Koncentracje naprężeń lokalizują się najczęściej w na-rożach płyt (fot. 2c). Wzajemny docisk płyt wywołany jest głównie rozszerza-niem płyt betonowych pod wpływem jednoczesnego działania równomier-nego i nierównomierrównomier-nego ogrzewania, które powoduje zamknięcie się szczeli-ny dylatacyjnej (w warunkach polskich często wykonanej w temperaturze znaczą-co niższej od projektowanej ze względu dodatkowe momenty zginające (fot. 2a).
Zdarza się także, że powodem zamknięcia szczeliny dylatacyjnej jest wypełniający ją materiał obcy, pochodzący z wykruszo-nych krawędzi płyt (fot. 1a i 2b) lub nie-właściwa naprawa – wypełnienia dylatacji żywicą epoksydową podczas renowacji nawierzchni (fot. 2e).
Praca płyt betonowych pod obciążeniem termicznym i eksploatacyjnym
Płyty betonowe nawierzchni lotniskowych poddane są działaniu zmian tempera-tury w cyklach dobowych i rocznych. Te pierwsze pochodzą od zmian temperatu-ry w dzień i w nocy o znacznym gradien-cie, zwłaszcza gdy nawierzchnia poddana jest silnemu nasłonecznieniu, natomiast
P2
9:30 10:30 11:30 12:30
13:30 14:30 15:30 16:30
17:30 18:30 19:30 20:30
21:30 22:30 23:30 0:30
1:30 2:30 3:30 4:30
5:30 6:30 7:30 8:30
-2.0
9:30 10:30 11:30 12:30
13:30 14:30 15:30 16:30
17:30 18:30 19:30 20:30
21:30 22:30 23:30 0:30
1:30 2:30 3:30 4:30
5:30 6:30 7:30 8:30
-2.0
9:30 10:30 11:30 12:30
13:30 14:30 15:30 16:30
17:30 18:30 19:30 20:30
21:30 22:30 23:30 0:30
1:30 2:30 3:30 4:30
5:30
9:30 10:30 11:30 12:30
13:30 14:30 15:30 16:30
17:30 18:30 19:30 20:30
21:30 22:30 23:30 0:30
1:30 2:30 3:30 4:30
5:30 6:30 7:30 8:30
P2 P8
rys. 1 | Zmiany przemieszczeń pionowych pojedynczej płyty betonowej nawierzchni lotniskowej (5 x 5 m), zaobserwowane w pomiarze dobowym [1]
Fot. 1 | Występujące na krawędzi płyty lotniskowej wykruszone (luźne) fragmenty betonu – a) i uskok – b)
a
b
Fot. 2 | Koncentracja naprężeń: a) wpływ temperatury montażu, b) rozłupana płyta, c) analiza numeryczna docisku, d) odłupany narożnik pod wpływem docisku, e) wykruszenie narożników sklejonych żywicą [1]
a b
c d e
technologie
drugie związane są ze zmianami pór roku.
Dobowe pomiary przemieszczeń piono-wych betonopiono-wych płyt lotniskopiono-wych swo-bodnie podpartych potwierdziły, że przy nagrzaniu powierzchni płyty (w dzień) unosi się jej część środkowa, natomiast podczas oziębienia powierzchni (w nocy) unoszą się narożniki (rys. 1). Podobne zachowania obserwowane są w cyklu lato–zima.
Działanie ciężaru własnego konstrukcji (G) oraz zmiennych w czasie eksploatacyj-nych obciążeń (S) statkami powietrznymi (statyczne i dynamiczne) powoduje zmę-czeniowe osłabienie betonu nawierzchni w wyniku powtarzalności ruchu nakła-dającego się na cykliczne odkształcenia termiczne (rys. 1). W dłuższym czasie prowadzi to do powstawania zarysowań przekroju krytycznego w płytach, a dalsze cykliczne obciążenia zmieniają zarysowa-nie w pęknięcie, wokół którego następzarysowa-nie tworzą się wykruszenia, spowodowane działaniem koncentracji naprężeń w stre-fach kontaktu ziaren betonu – fot. 3.
Przeciążenie uniesionych narożników płyt skutkuje powstaniem pęknięć o kształcie wycinka koła (fot. 4a), natomiast przecią-żenie płyty w środku rozpiętości powoduje powstanie pęknięcia w poprzek płyty (fot.
4b). Uszkodzenia te powstają z reguły w miejscach, gdzie statki powietrzne po-ruszają się jednym torem (fot. 5a). Nieza-bezpieczone w sposób właściwy pęknię-cie stanowi źródło kolejnych uszkodzeń (działanie koncentracji naprężeń), które w dłuższym czasie prowadzą do całko-witej destrukcji nawierzchni lotniskowej wymagającej usunięcia zdegradowanego elementu (fot. 5b).
uszczelnienia masami bitumicznymi
Materiałem tradycyjnie stosowanym do uszczelniania szwów dylatacyjnych oraz nowo powstałych pęknięć (fot. 5 i 2d) są masy bitumiczne. Uszczelnianie szczelin i pęknięć ma na celu zabezpieczenie podbudowy lub podłoża przed wodą
oraz niedopuszczenie do kli-nowania się ziaren kruszywa w szczelinach. Niestety, ma-teriały bitumiczne nie za-pewniają prawidłowego uszczelnienia w dłuższym okresie, gdyż ulegają degra-dacji termicznej i mechanicznej.
W lecie pod wpływem wysokich temperatur bitum wypływa ze szczelin (fot. 6a) lub jest z nich wyciskany przez rozszerzające się elementy betonowe (fot. 6b), natomiast w zimie pod wpły-wem niskich temperatur staje się kruchy oraz łatwo pęka pod obciążeniem (fot. 6c). Szczelina zabezpieczona masą bitumicz-ną wymaga wymiany już po niedługim okresie eksploatacji i w żaden sposób nie zabezpie-cza podłoża przed penetrującą wodą, przyczyniając się do dal-szej destrukcji uszkodzonej płyty betonowej. Woda dostająca się przez nieszczelności pod płyty wywołuje przewilgocenie grun-tów skutkujące osłabieniem nośności podłoża, czego efek-tem są osiadania lub wysadziny (w zimie). Masy bitumiczne nie-posiadające nośności na ścina-nie ścina-nie zapobiegają temu zjawi-sku (fot. 6d).
Działanie zjawiska hydrodynamicznego pompowania
Dostawaniu się wody pod płyty nawierzchni towarzyszy zjawi-sko hydrodynamicznego pom-powania (fot. 7a) wywołanego przejazdem koła samolotu. Jego mechanizm polega na trans-porcie okruchów przez wodę pod ciśnieniem. Zjawisko to jest odpowiedzialne za uszkodzenia uszczelnień i klawiszowanie płyt (fot. 7b, c).
Fot. 3 | Kolejne fazy uszkodzenia płyty betonowej poddanej cyklicznie zmiennym obciążeniom
Fot. 4 | Uszkodzenia pasa startowego: a) pęknięcie narożnika płyty, b) pęknięcie płyty w poprzek
Fot. 5 | Regularny układ uszkodzeń narożników w osi ruchu goleni głównej samolotu – a), zaawansowana destrukcja narożnika niezabezpieczonego w sposób właściwy – b)
Fot. 6 | Obraz negatywnej pracy mas bitumicznych uszczelniających betonowe nawierzchnie lotniskowe
Fot. 7 | Schemat działania hydrodynamicznego pompowania – a) [2], wypychanie masy bitumicznej przez wodę pod ciśnieniem – b), wciąganie masy bitumicznej pod płytę spowodowane klawiszowaniem – c)
Fot. 8 | Uszkodzenia spowodowane błędami
technologicznymi: a) złuszczenia powierzchniowe, b) odspojenie powierzchniowej warstwy naprawczej, c) pęknięcia wywołane punktowym przesztywnieniem nawierzchni