Co to jest wybrzuszenie w nawierzchni betonowej?

Wybrzuszenie (zwane również wybrzuszeniem nawierzchni, wybrzuszeniem termicznym, wybrzuszeniem betonu lub zniszczeniem wyboczeniowym) to poważne, miejscowe przemieszczenie w górę, rozkruszenie lub zmiażdżenie nawierzchni z cementu portlandzkiego (PCC) występujące w poprzecznej szczelinie lub pęknięciu podczas upałów. Zjawisko to klasyfikowane jest jako uszkodzenie typu deformacyjnego zgodnie z ASTM D5340 (Standardowa metoda badań do oceny wskaźnika stanu nawierzchni lotniskowych) i jest jednym z najbardziej niebezpiecznych wad nawierzchni, ponieważ rozwija się gwałtownie, wytwarza duże, kanciaste fragmenty rozkruszonego betonu i stwarza natychmiastowe zagrożenie ciałami obcymi (FOD) na polach manewrowych lotniska.

Uszkodzenie typu wybrzuszenie rozwija się w procesie mechanicznym: gdy płyta betonowa nagrzewa się i rozszerza, generuje naprężenia ściskające w strukturze nawierzchni. Gdy szczeliny dylatacyjne – zaprojektowane do przenoszenia tego ruchu – nie działają prawidłowo z powodu obecności nieściśliwego materiału, nieodpowiedniej pierwotnej szerokości szczelin, zbyt dużego rozstawu szczelin lub kombinacji tych czynników, siły ściskające kumulują się. Gdy siły te przekroczą krytyczne obciążenie wyboczeniowe płyty, beton nagle ulega zniszczeniu przez ściskanie w szczelinie lub pęknięciu, powodując charakterystyczne przemieszczenie w górę i fragmentację.

Podręcznik oceny i klasyfikacji nawierzchni (PASER) FAA (AC 150/5320-17A Załącznik B) opisuje wybrzuszenia następująco: “Płyty betonowe mogą wypychać się w górę lub ulegać zmiażdżeniu w szczelinie. Jest to spowodowane rozszerzalnością betonu, gdy nieściśliwe materiały (piasek, gruz itp.) wniknęły do źle uszczelnionych szczelin. W rezultacie nie ma przestrzeni do pomieszczenia rozszerzalności.” Podręcznik PASER dodatkowo zauważa, że wybrzuszenia występują częściej w starszych nawierzchniach z dużym rozstawem szczelin oraz w nawierzchniach, w których kruszywo jest podatne na reakcję alkaliczno-krzemionkową (ASR).

Definicja i mechanizm

Mechanizm wybrzuszenia obejmuje sekwencję zdarzeń fizycznych, które zachodzą stopniowo wraz ze wzrostem temperatury nawierzchni. Płyta betonowa, która została ułożona i utwardzona w pewnej temperaturze referencyjnej (temperaturze układania lub zerowego naprężenia), zaczyna się rozszerzać wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. Na każdy stopień Celsjusza wzrostu temperatury płyta betonowa o współczynniku rozszerzalności cieplnej (CTE) wynoszącym 10 × 10⁻⁶ /°C rozszerzy się liniowo o około 0,01 mm na metr długości płyty. Dla typowego rozstawu szczelin wynoszącego 6 m (20 stóp) przekłada się to na około 0,06 mm rozszerzalności na stopień Celsjusza.

Kluczowe parametry rządzące procesem wyboczenia:

Skumulowana siła ściskająca na jednostkę szerokości płyty wyrażona jest wzorem:

F = E × α × ΔT × h

gdzie E to moduł sprężystości betonu (typowo 28–35 GPa), α to CTE, ΔT to wzrost temperatury powyżej temperatury układania, a h to grubość płyty. Dla płyty o grubości 250 mm (10 cali) z CTE wynoszącym 10 × 10⁻⁶ /°C poddanej wzrostowi temperatury o 30 °C, skumulowana siła ściskająca na metr szerokości płyty wynosi około 2,1 MN/m – siła ponad 200 ton metrycznych na metr szerokości nawierzchni.

Gdy siła ta napotyka opór przed ruchem poziomym – czy to z powodu nieściśliwego materiału wypełniającego przestrzeń szczeliny, czy z powodu sąsiedniej płyty – stan naprężenia przechodzi od swobodnej rozszerzalności do ograniczonego ściskania. Płyta zachowuje się wówczas jak belka-słup poddana ściskaniu osiowemu. Krytyczne obciążenie wyboczeniowe dla płyty nawierzchni spoczywającej na podłożu sprężystym zostało po raz pierwszy rygorystycznie przeanalizowane przez Kerra (1984), a później rozszerzone przez licznych badaczy. Krytyczny wzrost temperatury, przy którym występuje wyboczenie, jest funkcją geometrii płyty, właściwości materiałowych, stanu szczeliny i sztywności podłoża.

Program Badawczy Dróg Wisconsin (Wisconsin Highway Research Program) – projekt 0092-24-03 (2025) – opracował zweryfikowany trójwymiarowy model elementów skończonych wyboczenia nawierzchni w Abaqus, symulujący interakcje płyta-szczelina-podbudowa-podłoże z elementami łącznikowymi dla szczelin i tarciem Coulomba na styku płyty z podbudową. Badanie wykazało, że sztywność szczeliny miała największy wpływ na bezpieczną temperaturę, a następnie temperatura układania i CTE. Tarcie między płytą a podbudową (w przewidywanych zakresach) i sztywność podłoża miały minimalny wpływ. Wynikiem tych badań jest Wskaźnik Ryzyka Wyboczenia Nawierzchni i Zestaw Symulacyjny (PB-RISK) – narzędzie w Excelu, które ocenia ryzyko wyboczenia przy użyciu zarówno długoterminowych prognoz klimatycznych (modele CMIP6), jak i krótkoterminowych (14-dniowych) prognoz pogody.

Rozszerzalność cieplna i naprężenie ściskające

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) betonu cementowego portlandzkiego jest krytyczną właściwością materiałową wpływającą na podatność na wybrzuszenia. Wartości CTE betonu zazwyczaj mieszczą się w zakresie od 7 do 13 × 10⁻⁶ /°C (4 do 7 × 10⁻⁶ /°F), zależnie głównie od rodzaju kruszywa użytego w mieszance. Kruszywo kwarcowe daje beton o najwyższym CTE (około 12–13 × 10⁻⁶ /°C), podczas gdy kruszywo wapienne daje niższe wartości CTE (około 7–9 × 10⁻⁶ /°C). Raport badawczy FHWA “Wyznaczanie wpływu współczynnika rozszerzalności cieplnej na nawierzchnie betonowe z dyblami” (LTRC Project 451, 2011) wykazał, że CTE betonu bezpośrednio wpływa na maksymalny rozstaw szczelin, który może być bezpiecznie stosowany w projektowaniu nawierzchni betonowych (JPCP).

Różnica temperatur doświadczana przez nawierzchnię – różnica między szczytową temperaturą nawierzchni w momencie potencjalnego wybrzuszenia a temperaturą zerowego naprężenia (temperaturą, w której płyta betonowa została skutecznie zablokowana w systemie nawierzchni) – jest głównym czynnikiem akumulacji naprężeń ściskających. Temperatura zerowego naprężenia jest wpływana przez temperaturę otoczenia w momencie układania i dojrzewania, ciepło hydratacji podczas dojrzewania oraz wszelkie późniejsze wczesne cykle termiczne. Budowa w zimnych miesiącach skutkuje niższą temperaturą zerowego naprężenia, co oznacza, że większa różnica termiczna będzie się kumulować podczas letnich upałów. Badania Wisconsin DOT zalecają minimalizowanie budowy w zimnych miesiącach właśnie z tego powodu.

Temperatura nawierzchni różni się znacznie od temperatury powietrza. W pogodny letni dzień przy temperaturze powietrza 38 °C (100 °F), bezpośrednie promieniowanie słoneczne może podnieść temperaturę powierzchni nawierzchni do 60–70 °C (140–160 °F). Profil temperatury przez grubość płyty jest nieliniowy – powierzchnia jest znacznie gorętsza niż spód płyty z powodu nagrzewania słonecznego. Ten gradient temperatury tworzy zróżnicowaną rozszerzalność przez grubość płyty, powodując naprężenia wyboczeniowe, które łączą się z osiowymi naprężeniami ściskającymi. Połączony stan naprężeń może wywołać wyboczenie przy niższych średnich temperaturach, niż przewidywałaby analiza oparta wyłącznie na jednolitej temperaturze.

Koncepcja luki wydajności termicznej (TPG), wprowadzona przez Chhay i in. (2021), opisuje wzrost temperatury wymagany do wywołania narastania nawierzchni i wybrzuszenia. Temperatura wyzwalająca narastanie nawierzchni (TTPG) jest wpływana przez akumulację rozszerzalności płyty z reakcji alkaliczno-krzemionkowej (ASR), ilość nieściśliwego materiału w szczelinach oraz historię poprzednich cykli termicznych. Badania opublikowane w Construction and Building Materials (2020) ustaliły, że TTGP jest funkcją skumulowanego zamknięcia szczelin z wielu cykli rozszerzalności i wnikania nieściśliwych materiałów.

Czynnik przyczyniający – infiltracja nieściśliwych materiałów

Pojedynczym najbardziej kontrolowanym czynnikiem przyczyniającym się do wybrzuszeń nawierzchni betonowych jest infiltracja nieściśliwych materiałów do poprzecznych szczelin. Szczeliny w nawierzchniach betonowych są projektowane w celu zapewnienia przerwy – zazwyczaj 3 do 6 mm (1/8 do 1/4 cala) w szczelinach skurczowych i 12 do 25 mm (1/2 do 1 cala) w szczelinach dylatacyjnych – w którą płyta betonowa może się rozszerzać podczas okresów rosnącej temperatury. Gdy ta przestrzeń szczeliny zostanie wypełniona nieściśliwym materiałem, zdolność płyty do pomieszczenia rozszerzalności cieplnej jest stopniowo eliminowana.

Źródła infiltracji nieściśliwych materiałów do szczelin:

• Ziarna piasku i drobnego kruszywa naniesione na powierzchnię nawierzchni przez ruch pojazdów, a następnie wgniatane w otwory szczelin przez działanie opon i przepływ wody
• Odłamki betonu z wykruszeń z krawędzi szczelin, które odrywają się i wpadają do przestrzeni szczeliny
• Zniszczone materiały do oznakowania nawierzchni (termoplastyczne, taśmy, farby), które ścierają się i gromadzą w szczelinach
• Szczątki roślinne (skoszona trawa, liście, strąki nasienne), które wciskają się w otwory szczelin
• Zniszczony materiał uszczelniający szczeliny, który odkleił się od ścian szczeliny i wpadł do niej lub został z niej wypchnięty
• Produkty korozji prętów dyblowych rozszerzające się w przestrzeni szczeliny
• Żel ASR, który wypływa z pęknięć i szczelin, pęczniejąc pod wpływem wilgoci

Stopniowa akumulacja nieściśliwego materiału zamyka przerwę szczeliny przyrostowo w czasie. W miarę zwężania się przerwy, pozostaje mniej przestrzeni ekspansji podczas każdego kolejnego cyklu termicznego. Szczelina, która pierwotnie miała 6 mm szerokości i zgromadziła 4 mm nieściśliwego wypełnienia, ma tylko 2 mm pozostałej zdolności ekspansji. Przy wzroście temperatury o 30 °C i rozstawie szczelin wynoszącym 6 m, zapotrzebowanie na rozszerzalność płyty wynosi około 1,8 mm – prawie całkowicie zużywając pozostałą przestrzeń szczeliny. Każdy dalszy wzrost temperatury lub dodatkowa akumulacja spowoduje fizyczny kontakt między sąsiednimi końcami płyt, inicjując narastanie naprężeń ściskających.

Badanie Illinois Division of Highways (1967) – “Studium wybrzuszeń w nawierzchniach sztywnych w Illinois” – było jednym z najwcześniejszych systematycznych badań dokumentujących związek między infiltracją nieściśliwych materiałów do szczelin a występowaniem wybrzuszeń. Badanie wykazało, że wybrzuszenia występowały prawie wyłącznie w szczelinach, w których przestrzeń szczeliny była skutecznie zamknięta przez nagromadzony gruz, nawet gdy wszystkie inne parametry projektowe (rozstaw szczelin, grubość płyty, jakość betonu) spełniały ówczesne normy. Dalsze badania Gressa (1977) nad wybrzuszeniami w nawierzchniach betonowych z nakładką potwierdziły, że problem był pogłębiany przez nakładki asfaltowe, które zmniejszały gradient termiczny przez płytę i zwiększały średnią temperaturę płyty podczas okresów upałów.

Reakcja alkaliczno-krzemionkowa (ASR) to problem trwałości betonu, który przyczynia się do potencjału wybrzuszeń poprzez wewnętrzną ekspansję samego betonu. ASR występuje, gdy reaktywna krzemionka w niektórych kruszywach reaguje z alkaliami (Na₂O i K₂O) z cementu w obecności wilgoci, wytwarzając hydrofilowy żel, który absorbuje wodę i pęcznieje. Ciśnienie ekspansji z ASR może spowodować wewnętrzny wzrost płyty betonowej, dodatkowo zamykając przerwy szczelin i zwiększając naprężenie ściskające. Podręcznik identyfikacji terenowej reaktywności alkaliczno-krzemionkowej FHWA (HIF-12-022) dokumentuje, jak ekspansja wywołana ASR spowodowała zamknięcie szczelin między sąsiednimi sekcjami nawierzchni i donosi, że nieściśliwy materiał uwięziony między sekcjami spowodował narastanie strukturalne i ostateczne wybrzuszenie. Nawierzchnie z kruszywem dotkniętym ASR doświadczają wybrzuszeń w niższych temperaturach i z większą częstotliwością niż nawierzchnie niereaktywne.

Zagrożenie wybrzuszeniem

Wybrzuszenia stanowią natychmiastowe i poważne zagrożenie bezpieczeństwa na każdej utwardzonej powierzchni, po której poruszają się pojazdy, a zagrożenia te są spotęgowane na nawierzchniach lotniskowych, gdzie statki powietrzne operują z dużymi prędkościami, z dużymi koncentracjami obciążeń i z minimalną tolerancją na nierówności powierzchni.

Zagrożenie uderzeniem pojazdu

Przemieszczenie w górę betonu w miejscu wybrzuszenia – które może wynosić od 25 mm (1 cal) do ponad 150 mm (6 cali) zmiany wysokości – tworzy przeszkodę, w którą podwozia statków powietrznych i sprzęt wsparcia naziemnego uderzają z prędkościami operacyjnymi. Na pasach startowych, gdzie dotknięcie statku powietrznego następuje z prędkościami 130–160 węzłów (240–300 km/h), uderzenie w wybrzuszenie o wysokości 100 mm powoduje chwilowe przyspieszenia pionowe, które mogą:

• Przebić opony statku powietrznego – ostre krawędzie rozkruszonych fragmentów betonu wnikają w bieżnik opony przy prędkościach uderzenia przekraczających 150 m/s
• Spowodować uszkodzenia strukturalne podwozia – poprzez nagłe obciążenia hamujące
• Wywołać utratę kontroli kierunkowej – gdy uderzenie występuje asymetrycznie na podwoziu
• Wytworzyć wtórne odłamki – gdy fragmenty opon i dodatkowe kawałki nawierzchni są wyrzucane z dużą prędkością

Zagrożenie jest równie znaczące na drogach kołowania, gdzie statki powietrzne mogą operować z niższymi prędkościami, ale gdzie zdolność pilota do wykrycia i uniknięcia wybrzuszenia jest ograniczona przez kąt widzenia do przodu z kabiny oraz odległość między kołem przednim a kołami głównymi.

Generowanie ciał obcych (FOD)

Rozkruszony beton powstały w wyniku wybrzuszenia składa się z kanciastych fragmentów, od małych cząstek zaprawy (2–5 mm) po duże kawałki przekraczające 200 mm (8 cali) w najdłuższym wymiarze. Fragmenty te stają się ciałami obcymi (FOD) na polu manewrowym lotniska. Zagrożenie FOD z wybrzuszeń jest szczególnie niebezpieczne, ponieważ:

• Fragmentów jest licznych – pojedyncze wybrzuszenie w poprzecznej szczelinie może wytworzyć dziesiątki fragmentów betonu rozrzuconych po powierzchni nawierzchni
• Fragmenty są ostre i kanciaste – kruche pękanie PCC wytwarza fragmenty o ostrych jak brzytwa krawędziach, które mogą przeciąć opony statku powietrznego przy kontakcie
• Fragmenty są generowane w obszarach o dużej gęstości – opony i silniki statków powietrznych działają w bliskiej odległości od powierzchni nawierzchni, wzdłuż tej samej ścieżki, na której osadzają się odłamki wybrzuszenia
• Wtórny napęd strumienia odrzutowego – spaliny silników odrzutowych odlatujących statków powietrznych mogą rozpędzać fragmenty odłamków wybrzuszenia po całym polu manewrowym, rozszerzając strefę zagrożenia FOD daleko poza pierwotną lokalizację wybrzuszenia

Okólnik FAA 150/5210-24A dotyczący zarządzania FOD wyraźnie identyfikuje odpady pochodzące z nawierzchni, w tym fragmenty betonu z wykruszeń, pęknięć i wybrzuszeń, jako źródło FOD, którym należy zarządzać poprzez terminowe utrzymanie nawierzchni. Sekcje nawierzchni ze znaną historią wybrzuszeń wymagają zwiększonej częstotliwości inspekcji FOD.

Cecha nagłego zniszczenia

W przeciwieństwie do wielu innych typów uszkodzeń nawierzchni, które rozwijają się stopniowo przez miesiące lub lata z widocznymi prekursorami, wybrzuszenia mogą wystąpić nagle i bez ostrzeżenia. Proces akumulacji naprężeń jest stopniowy, ale samo zniszczenie wyboczeniowe jest zdarzeniem katastroficznym napędzanym uwolnieniem zgromadzonej energii sprężystej w ściskanej płycie. Nawierzchnia, która była zdatna do użytku o godzinie 10:00, może doświadczyć wybrzuszenia o godzinie 14:00, gdy temperatura nawierzchni osiąga szczyt. Ta cecha nagłego zniszczenia oznacza, że:

• Raporty pilotów prawdopodobnie nie poprzedzą wykrycia – wybrzuszenie może rozwinąć się między kolejnymi ruchami statków powietrznych lub między zaplanowanymi inspekcjami pasa startowego
• Wiele wybrzuszeń może wystąpić jednocześnie – podczas ekstremalnych upałów wiele szczelin w sekcji nawierzchni może osiągnąć próg wyboczenia w krótkim czasie
• Tempo pogarszania się stanu jest szybkie – po wystąpieniu wybrzuszenia sąsiednie płyty tracą podparcie, a wtórne uszkodzenia w sąsiednich szczelinach często rozwijają się w tym samym cyklu termicznym

Zapobieganie wybrzuszeniom

Zapobieganie wybrzuszeniom nawierzchni betonowych wymaga wieloaspektowego podejścia obejmującego projektowanie, budowę, materiały i utrzymanie. Najskuteczniejsze strategie to te, które zapewniają utrzymanie odpowiedniej przestrzeni ekspansji przez cały okres eksploatacji nawierzchni oraz utrzymanie sił rozszerzalności betonu poniżej progu wyboczenia.

Odpowiednia szerokość i rozstaw szczelin

Pierwotny projekt rozstawu szczelin musi uwzględniać współczynnik rozszerzalności cieplnej konkretnej mieszanki betonowej, przewidywany zakres temperatur w lokalizacji projektu oraz przewidywaną temperaturę zerowego naprężenia z sezonu budowlanego. FAA AC 150/5320-6F (Projektowanie i ocena nawierzchni lotniskowych) zawiera wytyczne dotyczące maksymalnego rozstawu szczelin dla sztywnych nawierzchni lotniskowych, generalnie ograniczając rozstaw poprzecznych szczelin skurczowych do maksimum 6,1 m (20 stóp) dla betonu zwykłego i 7,6 m (25 stóp) dla betonu zbrojonego. Jednak te standardowe zalecenia mogą wymagać dostosowania dla:

• Kruszyw o wysokim CTE (kwarcyt, żwir rzeczny) – rozstaw szczelin należy zmniejszyć
• Ekstremalnych stref klimatycznych (środowiska pustynne, wysokie promieniowanie słoneczne) – rozstaw szczelin należy zmniejszyć
• Regionów podatnych na fale upałów – dodatkowe szczeliny dylatacyjne lub szczeliny odciążające mogą być uzasadnione
• Kruszyw podatnych na ASR – rozstaw szczelin powinien uwzględniać długoterminową ekspansję z ASR

Badania LTRC Project 451 (2011) wykazały, że maksymalny rozstaw szczelin w JPCP można dostosować z 4,6 do 5,5 m (15 do 18 stóp) w oparciu o określenie CTE, umożliwiając projektantom optymalizację rozstawu szczelin dla konkretnych rodzajów kruszywa.

Szczeliny dylatacyjne (PRJ)

Szczelina dylatacyjna to szczelina cięta na pełną głębokość, poprzecznie przez całą szerokość nawierzchni betonowej, zazwyczaj o szerokości 12 do 25 mm (0,5 do 1,0 cala), pozostawiona otwarta lub wypełniona materiałem ściśliwym w celu zapewnienia dedykowanej przestrzeni ekspansji. PRJ są instalowane albo jako środek zapobiegawczy w nawierzchniach ze znanym ryzykiem wybrzuszenia, albo jako środek naprawczy po wystąpieniu jednego lub więcej wybrzuszeń.

Korea Expressway Corporation ustanowiła kompleksową politykę instalacji PRJ w 2018 roku po rekordowych upałach, które spowodowały powszechne wybrzuszenia na koreańskiej sieci autostrad. Badania opublikowane w KSCE Journal of Civil Engineering (Park i in., 2021) udokumentowały rozwój tej polityki, definiując trzy klasy priorytetu instalacji PRJ na eksploatowanych drogach:

Badanie ustaliło szczegółowe wytyczne instalacji dla każdej klasy, w tym wymiary przekroju poprzecznego PRJ, procedury cięcia piłą, rozwiązania przenoszenia obciążeń i wymagania dotyczące uszczelnienia. PRJ zapewniają natychmiastowe odciążenie naprężeń poprzez stworzenie dedykowanej przestrzeni ekspansji, która jest utrzymywana wolna od nieściśliwych materiałów przez cały okres eksploatacji nawierzchni.

TRB Transportation Research Record 1215 (1989) opublikował ocenę instalacji PRJ, dokumentując ich skuteczność w zmniejszaniu naprężeń ściskających i uszkodzeń związanych z ciśnieniem w nawierzchniach betonowych. Badanie wykazało, że prawidłowo zainstalowane PRJ o odpowiedniej szerokości (minimum 12 mm dla większości zastosowań) i właściwym utrzymaniu (utrzymywanie przestrzeni szczeliny wolnej od gruzu) skutecznie eliminowały występowanie wybrzuszeń w leczonych sekcjach nawierzchni.

Uszczelnianie i utrzymanie szczelin

Prawidłowe utrzymanie uszczelnień szczelin jest jednym z najbardziej opłacalnych środków zapobiegania wybrzuszeniom. Uszczelnienia szczelin zapobiegają infiltracji nieściśliwych zanieczyszczeń do przestrzeni szczeliny, jednocześnie umożliwiając otwieranie i zamykanie szczeliny podczas cykli termicznych. FAA AC 150/5380-6B określa, że uszczelnienia szczelin powinny być kontrolowane corocznie i wymieniane, gdy wykazują oznaki:

• Odspojenia od krawędzi ścian szczeliny (najczęstszy tryb zniszczenia)
• Pękania lub rozrywania w materiale uszczelniającym
• Wyciskania lub przemieszczania się ze szczeliny
• Utwardzenia i utraty elastyczności (degradacja związana z wiekiem)
• Nagromadzenia gruzu na powierzchni lub wewnątrz uszczelnienia

Czyszczenie szczelin – usuwanie nagromadzonego nieściśliwego materiału z przestrzeni szczelin – powinno być wykonywane w regularnych odstępach czasu w ramach kompleksowego programu utrzymania nawierzchni. Częstotliwość czyszczenia zależy od lokalnego środowiska (obszary podatne na piasek wymagają częstszego czyszczenia) i charakterystyki ruchu. Typowe metody czyszczenia szczelin to strumieniowanie wodą pod wysokim ciśnieniem, przedmuchiwanie powietrzem i frezowanie mechaniczne.

Projekt mieszanki betonowej dla zmniejszonej rozszerzalności cieplnej

Wybór mieszanek betonowych o niskim CTE jest proaktywną strategią fazy projektowej zapobiegającą wybrzuszeniom. CTE betonu jest determinowany głównie przez rodzaj kruszywa, z następującymi reprezentatywnymi wartościami:

Gdy konieczne jest użycie kruszyw o wysokim CTE ze względu na lokalną dostępność, zwiększone zapotrzebowanie na rozszerzalność powinno być skompensowane poprzez gęściej rozmieszczone szczeliny, szersze przerwy szczelin lub instalację szczelin dylatacyjnych. Narzędzie PB-RISK WisDOT uwzględnia rodzaj kruszywa jako podstawową zmienną wejściową, umożliwiając projektantom ilościowe określenie ryzyka wybrzuszenia związanego z konkretnymi wyborami materiałowymi.

Terminy budowy

Budowa w miesiącach o zimnej pogodzie skutkuje niską temperaturą układania betonu. Gdy nawierzchnia jest poddawana letnim temperaturom, które są 30–40 °C wyższe od temperatury układania, skumulowana rozszerzalność cieplna jest odpowiednio duża. Badania Wisconsin DOT zalecają unikanie układania nawierzchni w zimnych miesiącach, gdy jest to możliwe, lub uwzględnienie niskiej temperatury układania w projekcie rozstawu szczelin, jeśli budowa w zimnych miesiącach jest nieunikniona.

Wybrzuszenie w nawierzchniach lotniskowych

Nawierzchnie betonowe lotnisk podlegają unikalnym warunkom, które wpływają na ryzyko wybrzuszenia inaczej niż w przypadku nawierzchni drogowych. Te różnice muszą być zrozumiane przez operatorów lotnisk, inżynierów nawierzchni i personel utrzymania ruchu odpowiedzialny za bezpieczeństwo lotnisk.

Charakterystyka obciążenia statkami powietrznymi różni się znacznie od obciążenia pojazdami drogowymi. Podwozia statków powietrznych koncentrują obciążenia w określonych punktach, z ciśnieniem w oponach w zakresie od 1,0 do 1,6 MPa (150 do 230 psi), w porównaniu z typowym ciśnieniem w oponach ciężarówek wynoszącym 0,7 MPa (100 psi). Połączenie wysokiego ciśnienia w oponach i skoncentrowanych obciążeń w miejscach szczelin i pęknięć może przyczyniać się do stanu naprężeń prowadzącego do wybrzuszenia, szczególnie w szczelinach, gdzie skuteczność przenoszenia obciążeń została naruszona przez pogorszenie stanu.

Orientacja pasa startowego wpływa na ryzyko wybrzuszenia poprzez wzorce ekspozycji słonecznej. Pasy startowe o orientacji wschód-zachód otrzymują więcej bezpośredniego promieniowania słonecznego na powierzchnię nawierzchni w godzinach południowych, wytwarzając wyższe szczytowe temperatury nawierzchni w porównaniu z pasami o orientacji północ-południe w tej samej lokalizacji geograficznej. Różnica temperatur może być o 5–10 °C wyższa na pasie wschód-zachód, znacznie zwiększając ryzyko wybrzuszenia podczas upałów.

Uwagi dotyczące masy termicznej dla grubych nawierzchni lotniskowych (typowe 300–450 mm dla lotnisk o dużym obciążeniu w porównaniu z 200–280 mm dla nawierzchni drogowych) wpływają na profil temperatury i rozkład naprężeń. Grubsze płyty mają wyższą odporność na wyboczenie ze względu na zwiększoną sztywność na zginanie – krytyczne obciążenie wyboczeniowe skaluje się z sześcianem grubości płyty (h³). Jednak grubsze płyty magazynują również więcej energii cieplnej i dłużej stygną, potencjalnie wydłużając okres, w którym ryzyko wybrzuszenia jest podwyższone.

Program Technologii Nawierzchni Lotniskowych FAA (ACPTP) za pośrednictwem CPTechCenter sfinansował badania dotyczące mechanizmów wybrzuszeń w nawierzchniach lotniskowych. Reakcje temperaturowe częściowo ograniczonych sztywnych nawierzchni lotniskowych (udokumentowane w raportach badawczych DOT/FAA/TC) były badane w celu opracowania modeli predykcyjnych do obliczeń obciążeń wyboczeniowych. Modele te uwzględniają specyficzną geometrię nawierzchni lotniskowych, w tym zmienne wymiary płyt, spektra obciążeń statków powietrznych oraz interakcję między sąsiednimi pasami układania.

FAA AC 150/5380-6B (Wytyczne i procedury utrzymania nawierzchni lotniskowych) zawiera szczegółowe wytyczne dotyczące wykrywania i naprawy wybrzuszeń na nawierzchniach lotniskowych. Dokument klasyfikuje wybrzuszenia jako uszkodzenie “Deformacyjne” w nawierzchniach sztywnych (Tabela 6-5) i zaleca następujące podejście utrzymaniowe:

1. Zamknąć pas startowy lub drogę kołowania dla ruchu natychmiast po wykryciu
2. Usunąć rozkruszony beton i oczyścić obszar
3. Zainstalować tymczasową łatę przy użyciu mieszanki mineralno-asfaltowej (HMA) w celu natychmiastowego przywrócenia zdatności użytkowej
4. Zaplanować naprawę trwałą obejmującą wymianę płyty na pełną głębokość z przywróceniem przenoszenia obciążeń
5. Ocenić sąsiednie szczeliny pod kątem adekwatności prześwitu i potrzeby instalacji szczeliny dylatacyjnej
6. Oczyścić i uszczelnić wszystkie sąsiednie szczeliny w celu zapobieżenia przyszłej infiltracji nieściśliwych materiałów

Załącznik 14 ICAO, Tom I, Sekcja 9.4 wymaga, aby powierzchnia wszystkich utwardzonych pasów startowych, dróg kołowania i płyt postojowych była utrzymywana w stanie zapewniającym dobre właściwości cierne i niski opór toczenia, wolna od wszelkich wad mogących negatywnie wpływać na bezpieczne operacje statków powietrznych. Wybrzuszenie nawierzchni stanowi wadę naruszającą ten wymóg, a operatorzy lotnisk muszą posiadać procedury wykrywania, reagowania i naprawy wybrzuszeń w najkrótszym praktycznym czasie, aby zminimalizować zakłócenia operacyjne i ryzyko bezpieczeństwa.

Wykrywanie wybrzuszeń

Wykrywanie wybrzuszeń nawierzchni betonowej opiera się na inspekcji wizualnej, badaniach stanu nawierzchni i raportowaniu operacyjnym. W przeciwieństwie do uszkodzeń, które rozwijają się stopniowo i mogą być wykrywane za pomocą zautomatyzowanych technologii oceny stanu nawierzchni, wybrzuszenia są zazwyczaj identyfikowane poprzez obserwację ludzką ze względu na ich nagły początek i bezpośrednie zagrożenie operacyjne, jakie stwarzają.

Planowe inspekcje nawierzchni

Rutynowe inspekcje nawierzchni przeprowadzane zgodnie z metodologią ASTM D5340 identyfikują sekcje nawierzchni z podwyższonym ryzykiem wybrzuszenia przed wystąpieniem zniszczenia. Kluczowe wskaźniki zbliżającego się wybrzuszenia obejmują:

• Uszkodzenie uszczelnienia szczeliny – brakujące, odspojone lub spękane uszczelnienie szczeliny umożliwiające infiltrację gruzu
• Zamknięcie przestrzeni szczeliny – widoczne zmniejszenie przerwy szczeliny w porównaniu z sąsiednimi szczelinami lub oryginalnymi wymiarami
• Wykruszenia w szczelinach – generowanie fragmentów betonu, które mogą przyczyniać się do akumulacji nieściśliwych materiałów
• Ruch sąsiedniej płyty – dowody poziomego przemieszczenia płyty, takie jak niewspółosiowość sąsiednich krawędzi płyt
• Przebarwienia ASR – ciemne plamy lub wzory pęknięć wokół szczelin wskazujące na ekspansję reaktywnego kruszywa
• Poprzednie łaty – nawierzchnie z historią łat po wybrzuszeniach są narażone na podwyższone ryzyko nawrotu

System oceny PASER FAA dla betonowych nawierzchni lotniskowych (AC 150/5320-17A Załącznik B) uwzględnia identyfikację wybrzuszeń jako element procesu oceny terenowej. Oceny PASER na poziomie 2 (Słaby) lub 1 (Niesprawny) są przypisywane nawierzchniom z aktywnymi wybrzuszeniami lub poważnym pogorszeniem stanu szczelin wskazującym na wysokie ryzyko wybrzuszenia.

Monitorowanie termiczne

Zaawansowane programy zarządzania nawierzchnią mogą obejmować monitorowanie temperatury nawierzchni betonowych podczas upałów w celu przewidywania ryzyka wybrzuszenia. Czujniki temperatury nawierzchni osadzone na różnych głębokościach dostarczają danych w czasie rzeczywistym o stanie termicznym płyty. Gdy temperatury nawierzchni zbliżają się do obliczonego progu wyboczenia dla danej sekcji nawierzchni, można wdrożyć środki zapobiegawcze – w tym zwiększenie częstotliwości inspekcji, ograniczenia prędkości lub proaktywne czyszczenie szczelin w celu zapewnienia dostępności przestrzeni ekspansji.

Narzędzie PB-RISK opracowane w ramach badań Wisconsin DOT (2025) zapewnia możliwość oceny ryzyka wybrzuszenia przy użyciu zarówno krótkoterminowych prognoz pogody (prognoza 14-dniowa), jak i długoterminowych prognoz klimatycznych. Narzędzie generuje poziomy ryzyka od “Bardzo niskiego” do “Bardzo wysokiego”, umożliwiając proaktywne zarządzanie ryzykiem. Dla operatorów lotnisk integracja takich narzędzi oceny ryzyka z planowaniem operacji lotniskowych mogłaby umożliwić:

• Prepozycjonowanie ekip naprawczych i materiałów w okresach wysokiego ryzyka
• Zwiększoną częstotliwość inspekcji na zidentyfikowanych sekcjach nawierzchni o wysokim ryzyku
• Ograniczenia operacyjne (ograniczenia prędkości, ograniczenia wagowe) na dotkniętych nawierzchniach podczas ekstremalnych upałów
• Proaktywne czyszczenie szczelin przed prognozowanymi falami upałów

Raportowanie operacyjne

Personel kontroli ruchu lotniczego, piloci i personel utrzymania lotniska stanowią nieformalną sieć wykrywania do identyfikacji wybrzuszeń. Raporty pilotów o nierównościach nawierzchni podczas lądowania, obserwacje personelu naziemnego dotyczące gruzu na polach manewrowych oraz obserwacje kontrolerów dotyczące nieregularności powierzchni podczas obserwacji z niskiego poziomu – wszystko to przyczynia się do wykrywania wybrzuszeń. Formalny system raportowania z jasnymi protokołami komunikacyjnymi zapewnia, że zaobserwowane anomalie są niezwłocznie badane, a jeśli zostaną potwierdzone jako wybrzuszenia, skutkują natychmiastowym zamknięciem pasa startowego i mobilizacją naprawczą.

Naprawa awaryjna wybrzuszeń

Naprawa awaryjna wybrzuszenia nawierzchni betonowej przebiega według ustrukturyzowanego protokołu zaprojektowanego w celu przywrócenia powierzchni nawierzchni do stanu zdatnego do użytku z minimalnym opóźnieniem, przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa podczas procesu naprawy.

Reakcja natychmiastowa

Po wykryciu lub zgłoszeniu wybrzuszenia:

1. Potwierdzić wybrzuszenie poprzez inspekcję wizualną z bezpiecznej odległości – ocenić zakres przemieszczenia, fragmentacji i dotkniętego obszaru
2. Zamknąć dotknięte pole manewrowe – wdrożyć całkowite zamknięcie pasa startowego lub drogi kołowania z odpowiednim NOTAM (Zawiadomienie dla personelu lotniczego)
3. Ustanowić perymetr bezpieczeństwa – ustawić barierki lub pachołki wokół obszaru wybrzuszenia z wystarczającym prześwitem do ustawienia sprzętu naprawczego
4. Powiadomić wszystkie zainteresowane strony – kontrolę ruchu lotniczego, operacje lotnicze, zarząd lotniska i personel utrzymania ruchu

Tymczasowe łatanie

FAA AC 150/5380-6B określa, że tymczasowe łatanie sztywnych nawierzchni przy użyciu elastycznych materiałów nawierzchniowych (mieszanka mineralno-asfaltowa) może być wykonane jako naprawa doraźna w celu przywrócenia powierzchni nawierzchni do natychmiastowych potrzeb operacyjnych. Procedura tymczasowego łatania obejmuje:

1. Usunąć rozkruszony i luźny beton z obszaru wybrzuszenia za pomocą młotów pneumatycznych lub pił do betonu
2. Naciąć obszar naprawy w celu utworzenia prostych, pionowych krawędzi na obwodzie – przedłużyć nacięcie co najmniej 300 mm (12 cali) poza widocznie uszkodzony obszar, aby zapewnić usunięcie całego naruszonego betonu
3. Usunąć gruz i oczyścić wnękę naprawczą – użyć sprężonego powietrza lub wody pod wysokim ciśnieniem do usunięcia drobnych cząstek
4. Nałożyć warstwę sczepną na pionowe ściany istniejącej nawierzchni betonowej
5. Położyć mieszankę mineralno-asfaltową we wnęce naprawczej w warstwach (typowe 50–75 mm na warstwę), zagęszczając każdą warstwę dokładnie
6. Wykończyć i uszczelnić powierzchnię, aby dopasować ją do otaczającej nawierzchni, oraz nałożyć uszczelnienie szczeliny na styku istniejącego betonu z łatą asfaltową

Tymczasowa łata przywraca powierzchnię nawierzchni do stanu umożliwiającego ruch, ale nie jest rozwiązaniem trwałym. Łata musi być monitorowana i zastąpiona trwałą naprawą betonową na pełną głębokość w określonym czasie – zazwyczaj w ciągu 30 do 90 dni, w zależności od poziomu ruchu i warunków klimatycznych.

Trwała naprawa na pełną głębokość

Trwała naprawa obszaru wybrzuszenia obejmuje wymianę płyty na pełną głębokość z przywróceniem strukturalnego przenoszenia obciążeń przez naprawioną szczelinę:

1. Cięcie na pełną głębokość dotkniętej płyty w celu usunięcia całej sekcji betonowej aż do podbudowy
2. Usunięcie i utylizacja połamanego betonu
3. Inspekcja i naprawa warstwy podbudowy – wszelkie uszkodzenia pompujące, pustki lub erozja podbudowy muszą zostać naprawione przed ułożeniem nowego betonu
4. Instalacja elementów przenoszących obciążenia – pręty dyblowe w poprzecznych szczelinach (gładkie, epoksydowane pręty stalowe, typowo średnica 32–38 mm, długość 450 mm, rozmieszczone co 300 mm)
5. Ułożenie nowego betonu – szybkowiążąca mieszanka betonowa osiągająca wytrzymałość strukturalną w ciągu 4–6 godzin dla minimalnego czasu zamknięcia pasa startowego
6. Nacięcie nowych szczelin – dopasowanie do istniejącego wzoru szczelin na sąsiednich końcach płyt
7. Pielęgnacja i uszczelnienie – nałożenie preparatu pielęgnacyjnego i instalacja uszczelnienia szczeliny
8. Ocena i rozwiązanie czynników przyczyniających się – inspekcja sąsiednich szczelin, czyszczenie nagromadzonego gruzu, instalacja szczelin dylatacyjnych, jeśli wskazuje na to wzór nawrotów

Ocena po naprawie

Po naprawie należy przeprowadzić dokładną ocenę czynników przyczyniających się, aby zapobiec nawrotom:

• Adekwatność rozstawu szczelin – czy pierwotny rozstaw szczelin był odpowiedni dla CTE kruszywa i strefy klimatycznej?
• Stan uszczelnienia szczelin – czy sąsiednie szczeliny były prawidłowo uszczelnione, czy też infiltracja nieściśliwych materiałów była przyczyną źródłową?
• Ocena ASR – czy beton jest reaktywny? Czy rozważono środki łagodzące ASR?
• Potrzeba odciążenia – czy sekcja nawierzchni wymaga instalacji PRJ w regularnych odstępach, aby zapobiec przyszłym wybrzuszeniom?
• Temperatura układania – czy pierwotna budowa miała miejsce w zimne dni, tak że temperatura zerowego naprężenia jest niska?

Wyniki oceny powinny być udokumentowane w systemie zarządzania nawierzchnią i wykorzystane do aktualizacji planu utrzymania dla dotkniętej sekcji nawierzchni oraz dla podobnych sekcji na całym lotnisku.

Podsumowanie

Wybrzuszenia w nawierzchniach betonowych stanowią jeden z najbardziej niebezpiecznych mechanizmów uszkodzeń wpływających na nawierzchnie sztywne, szczególnie na polach manewrowych lotnisk, gdzie konsekwencje nagłego zniszczenia nawierzchni obejmują potencjalne uszkodzenia statków powietrznych, zakłócenia operacyjne oraz zagrożenie bezpieczeństwa pasażerów i załogi. Mechanizm polega na rozszerzalności cieplnej płyty betonowej generującej naprężenia ściskające, które – gdy nie mogą być pomieszczone przez przestrzenie szczelin z powodu infiltracji nieściśliwych materiałów lub nieodpowiedniego projektu szczelin – przekraczają nośność płyty na wyboczenie i powodują nagłe przemieszczenie w górę i fragmentację.

Zapobieganie wybrzuszeniom wymaga kompleksowego podejścia obejmującego projektowanie (odpowiedni rozstaw i szerokość szczelin dla konkretnego CTE betonu), budowę (uwzględnienie temperatury układania i formowania szczelin), zarządzanie materiałami (zapobieganie ASR, wybór kruszywa zoptymalizowanego pod kątem CTE) oraz utrzymanie (konserwacja uszczelnień szczelin, okresowe czyszczenie szczelin i instalacja szczelin dylatacyjnych). Wykrywanie opiera się na protokołach inspekcji wizualnej, monitorowaniu termicznym w okresach wysokiego ryzyka oraz raportowaniu operacyjnym przez personel lotniskowy.

Ramy regulacyjne FAA i ICAO wymagają od operatorów lotnisk utrzymywania nawierzchni wolnych od wad mogących wpływać na bezpieczne operacje statków powietrznych, a wybrzuszenia wyraźnie mieszczą się w tym wymogu. FAA AC 150/5380-6B zawiera szczegółowe wytyczne dotyczące naprawy awaryjnej i trwałego przywrócenia nawierzchni dotkniętych wybrzuszeniami, podczas gdy podręcznik PASER FAA (AC 150/5320-17A) dostarcza metodologię oceny wizualnej do identyfikacji i oceny ryzyka wybrzuszenia podczas rutynowych badań stanu nawierzchni.

Najnowsze osiągnięcia badawcze, w tym opracowanie narzędzia PB-RISK (WisDOT 2025) do przewidywania ryzyka wyboczenia w oparciu o właściwości nawierzchni, szczegóły konstrukcyjne, rodzaj kruszywa, stan szczelin i prognozy klimatyczne, oferują nowe możliwości proaktywnego zarządzania ryzykiem wybrzuszeń. Integracja takich narzędzi predykcyjnych z systemami zarządzania nawierzchniami lotniskowymi umożliwia operatorom przewidywanie ryzyka wybrzuszenia podczas fal upałów i wdrażanie środków zapobiegawczych przed wystąpieniem zniszczenia, zamiast reagowania po zmaterializowaniu się zagrożenia.

Systematyczne podejście Korea Expressway Corporation do instalacji szczelin dylatacyjnych – definiujące klasy priorytetu instalacji w oparciu o historię wybrzuszeń, wiek nawierzchni, status ASR i stan szczelin – stanowi modelowe ramy zarządzania ryzykiem wybrzuszeń w dużych sieciach nawierzchni. Połączenie proaktywnej instalacji PRJ, regularnego utrzymania szczelin i monitorowania warunków termicznych reprezentuje obecny stan praktyki w zakresie zapobiegania wybrzuszeniom w regionach najbardziej dotkniętych falami upałów.