Neopren (polichloropren) to syntetyczna guma szeroko stosowana w elastomerowych łożyskach mostowych, uszczelkach złączy kompresyjnych oraz podkładkach łożyskowych ze względu na odporność na warunki atmosferyczne, ozon, oleje i umiarkowane temperatury. Starzenie się neoprenu — pękanie, sztywnienie, odkształcenie trwałe — jest kluczowym ustaleniem inspekcyjnym. Obejmuje właściwości neoprenu, specyfikacje podkładek łożyskowych, mechanizmy degradacji oraz kryteria inspekcji.
Neopren to nazwa handlowa polichloroprenu (CR) , rodziny syntetycznych gum wytwarzanych przez polimeryzację emulsyjną chloroprenu (2-chloro-1,3-butadienu). Wynaleziony przez naukowców DuPont w 1930 roku jako pierwszy komercyjnie udany syntetyczny elastomer, neopren został opracowany w odpowiedzi na zapotrzebowanie na gumoodporną na oleje alternatywę. Struktura molekularna polichloroprenu charakteryzuje się atomem chloru przyłączonym do każdej jednostki monomeru, co nadaje materiałowi jego charakterystyczne właściwości odporności chemicznej. Szkielet polimeru zawiera głównie jednostki konfiguracyjne trans-1,4-polichloroprenu, przy czym atomy chloru tworzą polarność, która zmniejsza reaktywność materiału z ozonem i olejami węglowodorowymi.
Właściwości fizyczne i mechaniczne neoprenu czynią go wyjątkowo odpowiednim do zastosowań w łożyskach mostowych. Mieszanki neoprenowe stosowane w łożyskach mostowych wykazują zazwyczaj twardość Shore A między 50 a 70, zgodnie z normami AASHTO M251 i ASTM D4014. Ten zakres twardości zapewnia optymalną równowagę między nośnością a zdolnością do przenoszenia ruchu poprzez odkształcenie ścinające. Wytrzymałość na rozciąganie neoprenowych mieszanek łożyskowych wynosi zazwyczaj od 17,2 MPa (2500 psi) do 20,7 MPa (3000 psi) przy badaniu zgodnie z ASTM D412. Minimalne wydłużenie przy zerwaniu określa się na 350 procent dla mieszanek neoprenowych po starzeniu cieplnym, co zapewnia zachowanie wystarczającej ciągliwości materiału przez cały okres użytkowania.
Moduł ścinania (G) neoprenu jest krytycznym parametrem projektowym dla podkładek łożyskowych. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, Sekcja 14.7.5.2, określa zakres modułu ścinania dla łożysk elastomerowych jako 0,55 MPa (80 psi) do 1,38 MPa (200 psi) w temperaturze 73°F (23°C). Najczęściej określaną wartością dla projektowania łożysk mostowych jest 0,90 MPa (130 psi) w temperaturze 73°F, co zapewnia równowagę między sztywnością dla nośności pionowej a elastycznością dla ruchów poziomych. Moduł ścinania zależy od temperatury — neopren sztywnieje w niskich temperaturach i mięknienie w podwyższonych. Współczynnik korekty temperaturowej dla modułu ścinania neoprenu wynosi około 0,2 procent na stopień Fahrenheita powyżej lub poniżej temperatury referencyjnej 73°F, co oznacza, że łożysko w temperaturze 0°F (-18°C) może mieć moduł ścinania o 15 procent wyższy niż jego wartość w temperaturze pokojowej.
Neopren wykazuje wyjątkową odporność na ozon i warunki atmosferyczne, co jest głównym powodem jego dominacji w zastosowaniach łożysk mostowych. Ozon (O₃) występuje w atmosferze w stężeniach zazwyczaj między 0,01 a 0,10 części na milion (ppm) na obszarach wiejskich i do 0,50 ppm w środowiskach miejskich ze smogiem fotochemicznym. Cząsteczki ozonu są wysoce reaktywne i atakują nienasycone wiązania podwójne węgiel-węgiel w łańcuchach polimerowych elastomerów. Atomy chloru w strukturze molekularnej neoprenu zmniejszają gęstość elektronową wiązań podwójnych, czyniąc je mniej podatnymi na atak ozonu w porównaniu z kauczukiem naturalnym lub kauczukiem butadienowo-styrenowym (SBR). Przyspieszone badanie odporności na ozon zgodnie z ASTM D1149 wymaga, aby próbki neoprenu nie wykazywały pęknięć po 168 godzinach ekspozycji na 50 ppm ozonu przy 20-procentowym odkształceniu — badanie, które kauczuk naturalny zazwyczaj oblewa w ciągu kilku godzin.
Zakres temperatury roboczej dla neoprenu w zastosowaniach mostowych rozciąga się od około -40°F (-40°C) do 200°F (93°C). Temperatura zeszklenia (Tg) polichloroprenu wynosi około -45°C (-49°F), poniżej której polimer przechodzi z elastycznego stanu elastomerowego w sztywny stan szklisty. Temperatura kruchości według ASTM D2137 wynosi zazwyczaj między -35°C a -45°C, w zależności od konkretnego składu mieszanki. W górnym zakresie temperatur neopren zaczyna ulegać utlenianiu termicznemu przy długotrwałych temperaturach powyżej 250°F (121°C), chociaż temperatura ta rzadko jest osiągana w eksploatacji łożysk mostowych. Zakres temperatur roboczych jest zatem odpowiedni dla wszystkich, z wyjątkiem najbardziej ekstremalnych zimnych klimatów mostowych, gdzie mogą być określone specjalne mieszanki neoprenowe do niskich temperatur lub materiały alternatywne.
Neopren wykazuje dobrą odporność na oleje, smary i chemikalia powszechnie występujące na konstrukcjach mostowych. Obejmuje to odporność na płyny hydrauliczne, oleje smarne, olej napędowy, benzynę, sól drogową (roztwory chlorku sodu i chlorku wapnia) oraz rozcieńczone kwasy. Pęcznienie objętościowe prawidłowo skomponowanego neoprenu po zanurzeniu w oleju ASTM nr 1 (IRM 901) przez 70 godzin w temperaturze 212°F (100°C) jest ograniczone do maksymalnie 10 procent zgodnie z ASTM D471. Po zanurzeniu w oleju ASTM nr 3 (IRM 903) pęcznienie objętościowe jest ograniczone do maksymalnie 35 procent. Ta odporność na oleje jest niezbędna dla łożysk mostowych zlokalizowanych w obszarach, gdzie występują wycieki płynów pojazdów, takich jak nad jezdniami lub w konstrukcjach parkingowych.
Poniższa tabela podsumowuje kluczowe właściwości fizyczne i mechaniczne neoprenu do zastosowań w łożyskach mostowych:
| Właściwość | Typowa wartość | Metoda badania | Wymaganie AASHTO M251 |
|---|---|---|---|
| Twardość Shore A | 50-70 | ASTM D2240 | 60 ± 5 |
| Wytrzymałość na rozciąganie (min) | 17,2 MPa (2500 psi) | ASTM D412 | 15,0 MPa (2175 psi) |
| Wydłużenie przy zerwaniu (min) | 400% | ASTM D412 | 350% po starzeniu |
| Odkształcenie trwałe (maks) | 25% | ASTM D395 Metoda B | maks. 35% po 22 h w 212°F |
| Moduł ścinania G w 73°F | 0,55-1,38 MPa (80-200 psi) | ASTM D4014 | Zgodnie ze specyfikacją projektową |
| Odporność na ozon | Brak pęknięć | ASTM D1149 | Brak pęknięć po 168 h przy 50 pphm |
| Kruchość w niskiej temperaturze | <-40°F | ASTM D2137 | Brak uszkodzenia w -40°F |
| Odporność na oleje (olej nr 1) | Pęcznienie <10% | ASTM D471 | Zgodnie ze specyfikacją kontraktową |
Wybór neoprenu zamiast kauczuku naturalnego do zastosowań w łożyskach mostowych i uszczelkach dylatacji jest podyktowany fundamentalnie różnymi właściwościami odporności chemicznej i charakterystyką starzenia obu elastomerów. Kauczuk naturalny (NR) — poliizopren pochodzący z lateksu drzew Hevea brasiliensis — ma strukturę molekularną składającą się z powtarzających się jednostek izoprenu (C₅H₈) w konfiguracji cis-1,4. Struktura ta zawiera wiązania podwójne węgiel-węgiel w szkielecie polimeru, które są wysoce podatne na atak ozonu, utlenianie termiczne i degradację UV. Neopren zastępuje grupę metylową na jednostce izoprenu atomem chloru, tworząc polimer, który z natury opiera się utlenianiu i atakowi ozonu, zachowując jednocześnie właściwości elastomerowe.
Odporność na ozon jest najważniejszym czynnikiem różnicującym neopren i kauczuk naturalny w zastosowaniach mostowych. Stężenia ozonu atmosferycznego tak niskie jak 0,01 ppm mogą powodować widoczne pękanie kauczuku naturalnego w ciągu godzin, gdy guma znajduje się pod naprężeniem rozciągającym — stan ten zawsze występuje w obciążonych łożyskach mostowych. Neopren, przeciwnie, może wytrzymać ciągłą ekspozycję na 0,50 ppm ozonu przez dłuższe okresy bez pękania. FHWA (Federalna Administracja Drogowa) zaleca neopren do wszystkich zewnętrznych zastosowań łożysk mostowych właśnie ze względu na tę przewagę w odporności na ozon. Łożyska mostowe z kauczuku naturalnego chronione dodatkami woskowymi lub chemicznymi antyozonantami mogą zapewnić odpowiednią żywotność, ale dodatki ochronne wyczerpują się z czasem poprzez odparowywanie, wymywanie i zużycie chemiczne, pozostawiając gumę podatną na uszkodzenia po wyczerpaniu warstwy ochronnej.
Odporność na warunki atmosferyczne i UV dodatkowo przemawia na korzyść neoprenu. Atomy chloru w neoprenie absorbują promieniowanie ultrafioletowe w zakresie długości fal 300-340 nm, rozpraszając energię jako ciepło, zamiast pozwalać jej na rozrywanie wiązań polimerowych. Kauczuk naturalny nie ma tej zdolności pochłaniania UV i ulega szybkiej degradacji powierzchniowej pod wpływem bezpośredniego światła słonecznego. Foto-utlenianie powierzchni kauczuku naturalnego tworzy twardą, kruchą skórkę, która pęka pod wpływem zginania łożysk mostowych, tworząc miejsca inicjacji pęknięć, które propagują się w głąb materiału. Łożyska mostowe na spodniej stronie konstrukcji mostu otrzymują różne poziomy ekspozycji UV w zależności od orientacji mostu, głębokości dźwigara i szerokości geograficznej — neopren zapewnia niezawodne działanie niezależnie od warunków ekspozycji na UV.
Odporność na oleje i chemikalia zdecydowanie faworyzuje neopren w zastosowaniach mostowych. Łożyska mostowe i uszczelki dylatacji są narażone na wyciekające płyny pojazdów, chemikalia do odladzania dróg oraz zanieczyszczenia atmosferyczne. Kauczuk naturalny wykazuje słabą odporność na oleje mineralne, benzynę i olej napędowy — absorpcja tych płynów powoduje znaczne pęcznienie (do 100-procentowego wzrostu objętości w kauczuku naturalnym w porównaniu z mniej niż 10 procent w neoprenie), co zmniejsza moduł i stabilność wymiarową łożyska. Pęcznienie spowodowane absorpcją oleju może spowodować, że podkładki łożyskowe z kauczuku naturalnego rozszerzą się poza ich gniazdo i wycisną, zagrażając zdolności łożyska do przenoszenia obciążenia pionowego. Roztwory soli drogowej (NaCl, CaCl₂, MgCl₂) przyspieszają degradację kauczuku naturalnego poprzez efekty osmotyczne i reakcję chemiczną z polimerem, podczas gdy neopren zachowuje swoje właściwości w ciągłym zanurzeniu w słonej wodzie.
Właściwości mechaniczne pokazują, że kauczuk naturalny ma pewne zalety, które można wykorzystać w chronionych zastosowaniach wewnętrznych. Kauczuk naturalny wykazuje wyższą wytrzymałość na rozciąganie (typowe 27,6 MPa lub 4000 psi, w porównaniu do 20,7 MPa lub 3000 psi dla neoprenu), wyższą odporność na rozdarcie i niższą histerezę (mniejsze wewnętrzne wytwarzanie ciepła pod obciążeniem cyklicznym). Kauczuk naturalny zachowuje również lepszą elastyczność w niskich temperaturach, z temperaturą zeszklenia około -60°C (-76°F) w porównaniu do -45°C dla neoprenu. Jednak przewaga wytrzymałości na rozciąganie kauczuku naturalnego nie jest potrzebna w zastosowaniach łożysk mostowych, ponieważ naprężenia projektowe w łożyskach są ograniczone przez odkształcenia ścinające, a nie wytrzymałość na rozciąganie. Przewaga elastyczności w niskich temperaturach kauczuku naturalnego jest istotna dla mostów w klimacie arktycznym i subarktycznym, ale lepsza odporność na starzenie neoprenu nadal czyni go preferowanym wyborem w tych środowiskach.
Kwestie kosztowe pokazują, że neopren jest około 1,5 do 2,5 razy droższy od kauczuku naturalnego pod względem kosztu surowca. Jednak biorąc pod uwagę całkowity koszt cyklu życia — obejmujący koszty inspekcji, utrzymania i wymiany w ciągu 75-letniego okresu projektowego mostu — łożyska neoprenowe są znacznie bardziej ekonomiczne. Typowy okres użytkowania neoprenowego łożyska mostowego w klimacie umiarkowanym wynosi 30 do 50 lat, w porównaniu do 10 do 25 lat dla łożysk z kauczuku naturalnego w tym samym środowisku. Wydłużony okres użytkowania neoprenu eliminuje potrzebę kosztownych operacji wymiany łożysk, które wymagają podnoszenia konstrukcji mostu i zakłócania ruchu.
Poniższa tabela przedstawia ilościowe porównanie właściwości neoprenu i kauczuku naturalnego do zastosowań mostowych:
| Właściwość | Neopren (CR) | Kauczuk Naturalny (NR) | Przewaga |
|---|---|---|---|
| Odporność na ozon (50 pphm, 20% odkształcenia) | Brak pęknięć >168 h | Pękanie w ciągu godzin | Neopren |
| Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) | 17,2-20,7 | 24,1-31,0 | Kauczuk Naturalny |
| Wydłużenie przy zerwaniu (%) | 400-600 | 500-700 | Kauczuk Naturalny |
| Odporność na oleje (pęcznienie w oleju nr 3 %) | <35 | >100 | Neopren |
| Ciągła temperatura robocza (°C) | -40 do 93 | -55 do 70 | Neopren |
| Odporność na UV | Doskonała | Słaba | Neopren |
| Odporność na rozdarcie | Dobra | Doskonała | Kauczuk Naturalny |
| Względny koszt materiału | 1,5-2,5x | 1,0x | Kauczuk Naturalny |
| Typowy okres użytkowania mostu (lata) | 30-50 | 10-25 | Neopren |
Zwykłe podkładki łożyskowe z neoprenu — zwane również niesztywnionymi elastomerowymi podkładkami łożyskowymi — składają się z litego prostokątnego bloku gumy neoprenowej stosowanego pod dźwigarami i belkami mostowymi w celu przenoszenia niewielkich ruchów i obrotów przy jednoczesnym rozkładaniu obciążeń pionowych. Podkładki te są określane dla konstrukcji o stosunkowo niskich obciążeniach pionowych, ograniczonych wymaganiach ruchu oraz gdy łożysko jest dostępne do inspekcji i wymiany. Zwykłe podkładki działają poprzez pionowe ściskanie pod obciążeniem i poziome ścinanie w celu dostosowania się do rozszerzalności cieplnej i skurczu konstrukcji mostu. Projektowanie zwykłych podkładek łożyskowych z neoprenu jest zgodne z postanowieniami AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, Sekcja 14.7.5, oraz AASHTO M251.
Nośność pionowa zwykłej podkładki łożyskowej z neoprenu jest regulowana przez dopuszczalne naprężenie ściskające, które jest ograniczone, aby zapobiec nadmiernemu wybrzuszeniu i pełzaniu. AASHTO LRFD Sekcja 14.7.5.3.2 ogranicza średnie naprężenie ściskające w zwykłych podkładkach elastomerowych do 1000 psi (6,9 MPa) dla łożysk poddanych kombinacji obciążenia stałego i ruchomego, z dalszą redukcją do 800 psi (5,5 MPa), gdy uwzględnia się tylko obciążenie stałe plus część obciążenia ruchomego. Współczynnik kształtu (S) zwykłej podkładki łożyskowej — zdefiniowany jako stosunek powierzchni obciążonej do powierzchni swobodnej do wybrzuszenia — kontroluje sztywność ściskającą. Dla prostokątnej podkładki o szerokości W, długości L i całkowitej grubości elastomeru T, współczynnik kształtu oblicza się jako:
S = (W × L) / (2 × T × (W + L))
Wyższy współczynnik kształtu wskazuje na większe ograniczenie bocznego wybrzuszenia, a tym samym wyższą sztywność ściskającą. AASHTO M251 wymaga, aby współczynnik kształtu dla zwykłych podkładek łożyskowych wynosił co najmniej 3,0, aby podkładka działała skutecznie. Grubość zwykłych podkładek wynosi zazwyczaj od 1/4 cala (6 mm) do 2 cali (51 mm), przy czym grubsze podkładki zapewniają większą zdolność przenoszenia ruchu, ale niższą sztywność pionową. Zdolność przenoszenia ruchu poziomego zwykłej podkładki jest ograniczona przez odkształcenie ścinające w elastomerze, które AASHTO ogranicza do maksymalnie 50 procent grubości elastomeru w stanie granicznym użytkowalności. Oznacza to, że zwykła podkładka o grubości 1 cala może przenieść do 0,5 cala (13 mm) ruchu poziomego wynikającego z rozszerzalności cieplnej, pełzania i skurczu.
Kryteria projektowe dla grubości zwykłej podkładki są ustalane na podstawie wymagań ruchowych. AASHTO LRFD Sekcja 14.7.5.3.4 wymaga, aby całkowita grubość elastomeru (T) spełniała:
T ≥ 2 × Δₛ
gdzie Δₛ to maksymalny ruch poziomy w łożysku w stanie granicznym użytkowalności. Zapewnia to, że odkształcenie ścinające γ = Δₛ/T nie przekracza 0,50 (50 procent). Ugięcie ściskające zwykłych podkładek jest ograniczone do 7 procent grubości podkładki pod obciążeniem stałym plus część obciążenia ruchomego oraz 10 procent przy wszystkich obciążeniach łącznie. Nadmierne ugięcie ściskające wskazuje, że podkładka jest przeciążona lub że mieszanka elastomeru ma niewystarczającą twardość.
Niestabilność zwykłej podkładki jest problemem projektowym dla grubych, wąskich podkładek. AASHTO LRFD Sekcja 14.7.5.3.5 zawiera wymóg stabilności oparty na smukłości podkładki. Podkładka musi spełniać:
T ≤ (W/3) lub T ≤ (L/3)
aby podkładka była uznana za stabilną przeciwko wyboczeniu pod obciążeniem pionowym. Jeśli ten warunek nie jest spełniony, dopuszczalne naprężenie ściskające musi zostać zmniejszone przy użyciu współczynnika redukcji stateczności. W praktyce większość zwykłych podkładek łożyskowych mostów ma stosunek szerokości do grubości co najmniej 5:1, aby zapewnić stabilność i zapobiec wywróceniu pod kombinacją obciążeń pionowych i poziomych.
Laminowane stalą łożyska elastomerowe wykorzystują naprzemienne warstwy neoprenu wulkanizowane do cienkich blaszek stalowych, aby drastycznie zwiększyć nośność pionową przy jednoczesnym zachowaniu elastyczności poziomej. Laminacje stalowe zapobiegają bocznemu wybrzuszeniu elastomeru pod pionowym ściskaniem, skutecznie ograniczając gumę i zwiększając jej sztywność ściskającą. Projektowanie łożysk laminowanych jest regulowane przez AASHTO LRFD Sekcja 14.7.6 oraz AASHTO M251.
Każda wewnętrzna warstwa elastomeru w łożysku laminowanym działa jak pojedyncza zwykła podkładka ograniczona przez wkładki stalowe na jej górnej i dolnej powierzchni. Współczynnik kształtu dla każdej pojedynczej warstwy elastomeru w łożysku laminowanym oblicza się przy użyciu tego samego wzoru co dla zwykłych podkładek, ale przy użyciu grubości pojedynczej warstwy (Tᵢ) zamiast całkowitej grubości podkładki. AASHTO wymaga, aby współczynnik kształtu dla każdej warstwy wewnętrznej wynosił co najmniej 5,0, a współczynnik kształtu dla górnej i dolnej warstwy osłonowej (które mają tylko jedną związaną powierzchnię) wynosił co najmniej 3,0. Grubość pojedynczej warstwy wynosi zazwyczaj 3/8 cala (9,5 mm) do 1/2 cala (12,7 mm), przy czym 1/2 cala jest najczęściej stosowana. Cieńsze warstwy dają wyższe współczynniki kształtu i wyższą sztywność ściskającą, ale zwiększają koszt produkcji i zmniejszają zdolność przenoszenia ruchu.
Dopuszczalne naprężenie ściskające w łożyskach laminowanych jest znacznie wyższe niż w zwykłych podkładkach. AASHTO LRFD Sekcja 14.7.6.3.2 ogranicza średnie naprężenie ściskające do 1200 psi (8,3 MPa) dla łożysk, które nie podlegają obrotowi, oraz 1500 psi (10,3 MPa) dla łożysk, które mogą się swobodnie obracać (połączenia z trzonem lub wahaczowe). Wyższe dopuszczalne naprężenie dla łożysk swobodnie obracających się odzwierciedla bardziej równomierny rozkład naprężeń występujący, gdy łożysko może dostosować się do obrotu końcowego poprzez nierównomierne ściskanie warstw elastomeru.
Laminowane stalą łożyska elastomerowe — zwane również laminowanymi łożyskami elastomerowymi lub zbrojonymi łożyskami elastomerowymi — są najczęściej stosowanym typem łożysk mostowych w nowoczesnym budownictwie drogowym. Łożyska te składają się z wielu warstw gumy neoprenowej połączonych przez wulkanizację z wewnętrznymi płytami wzmacniającymi ze stali (wkładkami). Laminacje stalowe są zazwyczaj wykonane z walcowanej na gorąco blachy ze stali węglowej zgodnej z ASTM A36 lub A1011, o minimalnej grubości 14 gauge (0,075 cala, 1,9 mm) i maksymalnej grubości 1/8 cala (3,2 mm) zgodnie z AASHTO M251. Wkładki stalowe są w pełni otoczone neoprenem — guma rozciąga się wokół krawędzi każdej wkładki z minimalną osłoną krawędziową 1/8 cala (3 mm), aby zapobiec korozji stali.
Mechanika konstrukcji łożyska laminowanego różni się zasadniczo od zwykłej podkładki. Pod pionowym ściskaniem warstwy neoprenu próbują wybrzuszać się bocznie (efekt Poissona). Wkładki stalowe, które są znacznie sztywniejsze niż guma w płaszczyźnie wkładki, ograniczają to boczne wybrzuszenie. To ograniczenie tworzy stan trójosiowego ściskania w elastomerze — ściskanie w kierunku pionowym plus dwuosiowe ściskanie w płaszczyźnie poziomej — co drastycznie zwiększa efektywny moduł ściskający gumy. Łożysko laminowane z wewnętrznymi warstwami o współczynniku kształtu 7,5 może mieć moduł ściskający 50 do 100 razy większy niż moduł ścinania tej samej mieszanki gumowej. Pozwala to łożyskom laminowanym przenosić bardzo wysokie obciążenia pionowe przy jednoczesnym zachowaniu niskiej sztywności ścinania wymaganej do przenoszenia ruchu poziomego.
Ruch poziomy jest przenoszony poprzez odkształcenie ścinające całego łożyska — wszystkie warstwy elastomeru ścinają się równolegle, przy czym wkładki stalowe pozostają równoległe do siebie, podczas gdy góra i dół łożyska przesuwają się względem siebie. Sztywność ścinania łożyska laminowanego jest taka sama jak dla zwykłej podkładki o tej samej całkowitej grubości elastomeru, ponieważ wkładki stalowe nie opierają się ścinaniu. Całkowita zdolność odkształcenia ścinającego jest sumą zdolności ścinania wszystkich pojedynczych warstw elastomeru. AASHTO LRFD Sekcja 14.7.6.3.4 ogranicza odkształcenie ścinające do 0,50 (50 procent) pod obciążeniami eksploatacyjnymi i 0,70 (70 procent) pod obciążeniami ekstremalnymi, takimi jak trzęsienia ziemi.
Obrót konstrukcji mostu w łożysku jest przenoszony poprzez nierównomierne ściskanie poszczególnych warstw elastomeru — guma ściska się bardziej po jednej stronie łożyska niż po drugiej, umożliwiając górnej i dolnej powierzchni łożyska obrót względem siebie. Zdolność obrotowa łożyska laminowanego jest określana przez liczbę i grubość wewnętrznych warstw elastomeru. AASHTO ogranicza odkształcenie ściskające wywołane obrotem na krawędzi dowolnej warstwy wewnętrznej do 50 procent grubości warstwy, co skutecznie ogranicza maksymalny obrót, jaki może być przeniesiony przez łożysko. Zdolność obrotową wyrażoną w radianach można przybliżyć wzorem:
θ_max = 0,5 × n × Tᵢ / (L/2)
gdzie n to liczba wewnętrznych warstw elastomeru, Tᵢ to grubość pojedynczej warstwy, a L to długość łożyska w kierunku obrotu.
Stabilność przeciw wyboczeniu jest krytycznym czynnikiem projektowym dla łożysk laminowanych. AASHTO LRFD Sekcja 14.7.6.3.5 zawiera kryterium stabilności oparte na smukłości łożyska i współczynniku kształtu. Krytyczne obciążenie wyboczeniowe łożyska laminowanego jest funkcją modułu ścinania, modułu ściskającego (określonego przez współczynnik kształtu) oraz ogólnych wymiarów łożyska. AASHTO wymaga, aby przyłożone naprężenie ściskające nie przekraczało krytycznego naprężenia wyboczeniowego podzielonego przez współczynnik bezpieczeństwa 3,0. Dla typowych proporcji łożysk mostowych — gdzie całkowita wysokość jest mniejsza niż najmniejszy wymiar w planie — stateczność nie jest warunkiem projektowym decydującym.
Warstwy osłonowe są zapewnione na górze i dole łożysk laminowanych, aby chronić zewnętrzne wkładki stalowe przed korozją oraz zapewnić jednolitą powierzchnię styku z dźwigarem mostowym i podkonstrukcją. AASHTO M251 wymaga minimalnej grubości warstwy osłonowej 1/4 cala (6,4 mm) na górnej i dolnej powierzchni. Te warstwy osłonowe nie są połączone ze stalą na swoich zewnętrznych powierzchniach, więc ich współczynnik kształtu jest obliczany inaczej — mają współczynnik kształtu o połowę mniejszy niż równoważna związana warstwa wewnętrzna, ponieważ mogą swobodnie wybrzuszać się z niezwiązanej zewnętrznej powierzchni.
Tolerancje produkcyjne dla łożysk laminowanych są określone w AASHTO M251. Tolerancja całkowitej wysokości wynosi ±1/16 cala (1,6 mm) dla łożysk o grubości do 2 cali (51 mm) i ±3/32 cala (2,4 mm) dla łożysk grubszych. Tolerancja wymiaru w planie wynosi ±1/8 cala (3,2 mm) dla łożysk o wymiarach do 12 cali (305 mm) w każdym kierunku i ±3/16 cala (4,8 mm) dla większych łożysk. Wkładki stalowe muszą być płaskie w granicach 1/16 cala na długości wkładki, a gotowe łożysko nie może wykazywać widocznych wad, w tym pęcherzy, porowatości ani pęknięć powierzchniowych.
Neopren w łożyskach mostowych i uszczelkach dylatacji ulega kilku odrębnym mechanizmom degradacji w ciągu swojego okresu użytkowania. Zrozumienie tych mechanizmów jest niezbędne dla inspektorów mostowych do dokładnej oceny stanu elementu i przewidywania pozostałego okresu użytkowania. Pięć głównych rodzajów degradacji wpływających na neoprenowe elementy mostowe to pękanie ozonowe, sztywnienie (utwardzanie) , odkształcenie trwałe (ściśnięcie trwałe) , delaminacja i degradacja chemiczna.
Pękanie ozonowe jest najbardziej charakterystycznym i wizualnie rozpoznawalnym rodzajem degradacji neoprenowych elementów mostowych. Ozon (O₃) jest wysoce reaktywną odmianą alotropową tlenu obecną w dolnej atmosferze w stężeniach od 0,01 do 0,50 części na milion (ppm). Ozon atakuje nienasycone łańcuchy polimerowe — w szczególności wiązania podwójne węgiel-węgiel pozostające w szkielecie polichloroprenu po wulkanizacji. Mechanizm reakcji polega na wstawianiu cząsteczek ozonu w strukturę wiązania podwójnego i rozszczepianiu łańcucha polimerowego, powodując scission łańcucha. Miejsca scission następnie propagują się jako pęknięcia powierzchniowe zorientowane prostopadle do kierunku maksymalnego naprężenia rozciągającego w gumie.
Charakterystyka pękania ozonowego w neoprenie jest charakterystyczna: pęknięcia są drobne i ostrokrawędziowe, zazwyczaj o szerokości 0,1 do 1,0 mm, i biegną w liniach prostych lub lekko zakrzywionych, prostopadle do kierunku naprężenia rozciągającego. W łożyskach mostowych naprężenie rozciągające na powierzchni łożyska jest spowodowane efektem Poissona — gdy łożysko jest ściskane pionowo, materiał próbuje rozszerzać się bocznie, tworząc odkształcenia rozciągające w kierunku poziomym. Powstałe pęknięcia ozonowe biegną zatem pionowo na bocznych powierzchniach podkładek łożyskowych mostu, szczególnie w pobliżu środka bocznej powierzchni, gdzie rozszerzanie boczne jest maksymalne.
Głębokość i gęstość pęknięć ozonowych postępuje z czasem ekspozycji. W stadium wczesnym (zazwyczaj 3 do 10 lat eksploatacji w klimacie umiarkowanym) pęknięcia powierzchniowe są widoczne tylko podczas dokładnej inspekcji wizualnej z pomocą powiększenia i mają głębokość mniejszą niż 1 mm. W stadium umiarkowanym (10 do 20 lat) pęknięcia stają się widoczne gołym okiem i mogą wnikać 2 do 5 mm w przekrój łożyska. W stadium zaawansowanym (20+ lat) pęknięcia mogą wnikać na głębokość ponad 10 mm, a na powierzchniach łożyska rozwijają się wielokierunkowe systemy pęknięć. Na tym etapie pęknięcia mogą odsłaniać wkładki stalowe w łożyskach laminowanych, tworząc ścieżkę korozji dla wilgoci docierającej do stali zbrojeniowej. Raport FHWA dotyczący kryteriów inspekcji łożysk mostowych określa głębokość pękania przekraczającą 6 mm (1/4 cala) jako krytyczne ustalenie wymagające oceny pod kątem wymiany.
Sztywnienie (utwardzanie) neoprenu następuje poprzez kontynuację sieciowania łańcuchów polimerowych w okresie użytkowania. Proces wulkanizacji początkowo ustanawia sieć wiązań poprzecznych, ale sieciowanie kontynuuje się powoli w czasie poprzez pozostałe środki wulkanizujące i aktywację termiczną. Dodatkowe sieciowanie poprzez utlenianie termiczne tworzy nowe wiązania poprzeczne węgiel-węgiel i węgiel-tlen między sąsiednimi łańcuchami polimerowymi, stopniowo zmniejszając ruchliwość molekularną gumy. Objawia się to mierzalnym wzrostem twardości Shore A i modułu ścinania. Badania FHWA wskazują, że neoprenowe łożyska mostowe mogą doświadczyć wzrostu twardości Shore A o 5 do 15 punktów w ciągu 20 do 30 lat eksploatacji.
Skutki sztywnienia dla wydajności łożyska są znaczące. Sztywne łożysko ma zwiększony moduł ściskający, co oznacza, że przenosi wyższe siły na podkonstrukcję dla danego ruchu termicznego i nakłada większe ograniczenia na konstrukcję mostu. Zwiększona sztywność może prowadzić do wyższych naprężeń w dźwigarach mostowych i połączeniach podkonstrukcji, które nie były uwzględnione w pierwotnym projekcie. Łożysko, które pierwotnie miało moduł ścinania 0,90 MPa (130 psi), może rozwinąć moduł ścinania przekraczający 1,55 MPa (225 psi) po znacznym sztywnieniu, potencjalnie podwajając siły poziome przenoszone na podkonstrukcję przy pełnym ruchu projektowym.
Odkształcenie trwałe — zwane również ściśnięciem trwałym — to nieodwracalne zmniejszenie grubości łożyska spowodowane niepełnym odzyskiem elastycznym polimeru po zwolnieniu obciążenia ściskającego. Odkształcenie trwałe występuje, ponieważ łańcuchy polimerowe pod ciągłym ściskaniem ulegają relaksacji lepkosprężystej — segmenty łańcucha stopniowo przestawiają się, aby dostosować do stanu ściśniętego, zmniejszając siłę napędową do odzysku po zwolnieniu obciążenia. AASHTO M251 ogranicza odkształcenie trwałe do maksymalnie 35 procent (mierzone po 22 godzinach w 212°F zgodnie z ASTM D395 Metoda B) dla nowego materiału, ale odkształcenie trwałe w eksploatacji może przekroczyć tę wartość z czasem, gdy polimer nadal się starzeje.
Konsekwencje nadmiernego odkształcenia trwałego obejmują utratę rozkładu obciążenia pionowego — łożysko, które uległo trwałemu ściśnięciu, może nie mieć już pełnego kontaktu z dźwigarem mostowym lub podkonstrukcją, tworząc koncentracje naprężeń w punktach styku. W przypadku łożysk mostowych podpierających przęsła wielodźwigarowe, różnicowe odkształcenie trwałe między łożyskami na sąsiednich dźwigarach może przenosić obciążenie z jednego dźwigara na drugi, przeciążając bardziej obciążone elementy. Odkształcenie trwałe przekraczające 10 procent pierwotnej grubości łożyska, szczególnie w połączeniu z widocznym pękaniem, jest ogólnie uważane za próg wymiany.
Delaminacja odnosi się do oddzielenia gumy neoprenowej od blaszek stalowych w łożyskach laminowanych. Ten tryb uszkodzenia jest spowodowany utratą wiązania adhezyjnego między gumą a stalą, które jest ustanawiane podczas procesu wulkanizacji poprzez kombinację wiązania chemicznego (wiązania poprzeczne siarki między gumą a powierzchnią stali mosiężowanej lub cynkowanej) oraz mechanicznego zazębiania na chropowatej powierzchni stali. Delaminacja może być inicjowana przez korozję wkładek stalowych (która zakłóca związane połączenie), przez nadmierne cykliczne odkształcenia ścinające przekraczające wytrzymałość wiązania lub przez wady produkcyjne, w których wiązanie nie zostało prawidłowo ustanowione.
Wykrywanie delaminacji podczas inspekcji wizualnej jest trudne, ponieważ zewnętrzna warstwa osłonowa gumy może pozostać nienaruszona nawet po wystąpieniu wewnętrznego uszkodzenia wiązania. Oznaki możliwej delaminacji obejmują zlokalizowane wybrzuszenie lub pęcherze na bocznych powierzchniach łożyska, widoczne szczeliny między gumą a stalą na przyciętych krawędziach (choć przycięte krawędzie zazwyczaj nie występują w gotowych łożyskach) oraz słyszalne głuche dźwięki podczas opukiwania łożyska młotkiem inspekcyjnym — technika zapożyczona z badania betonu. Zaawansowane metody inspekcji, takie jak badania ultradźwiękowe (UT) lub termografia w podczerwieni, mogą wykryć wewnętrzną delaminację, która nie jest widoczna na powierzchni. Każda potwierdzona delaminacja jest podstawą do natychmiastowej wymiany, ponieważ łożysko utraciło swoją integralność strukturalną i nie może już niezawodnie przenosić obciążenia pionowego.
Degradacja chemiczna obejmuje kilka dodatkowych mechanizmów degradacji. Wyczerpanie antyozonanta następuje, gdy chemiczne antyozonanty (zazwyczaj pochodne p-fenylenodiaminy dodawane do mieszanki neoprenowej podczas formułowania) są zużywane w reakcji z ozonem lub wypłukiwane z powierzchni przez wodę deszczową. W miarę spadku poziomu antyozonantów guma staje się coraz bardziej podatna na atak ozonu. Utrata substancji ekstrahowalnych obejmuje stopniowe wyczerpywanie plastyfikatorów, olejów procesowych i innych składników niepolimerowych, które zostały dodane w celu kontrolowania twardości i charakterystyki przetwarzania mieszanki. Hydroliza — chemiczny rozkład polimeru przez wodę — jest stosunkowo rzadka w neoprenie, ale może wystąpić w warunkach ciągłego zanurzenia w wodzie w podwyższonych temperaturach.
Neopren jest dominującym materiałem do mostowych uszczelek dylatacyjnych, szczególnie w gotowych uszczelkach kompresyjnych i systemach uszczelek taśmowych dylatacji. Uszczelki te są instalowane w szczelinie między sąsiednimi segmentami pomostu mostowego, aby przenosić rozszerzalność cieplną i skurcz, jednocześnie zapobiegając przedostawaniu się wody, chemikaliów odladzających i zanieczyszczeń do podkonstrukcji mostu i łożysk poniżej. Wymagania eksploatacyjne dla neoprenowych uszczelek dylatacyjnych są określone w normach AASHTO M297 (Standard Specification for Preformed Elastomeric Bridge Joint Seals) oraz ASTM D2628 (Standard Specification for Preformed Polychloroprene Elastomeric Joint Seals for Bridges).
Gotowe uszczelki kompresyjne — zwane również uszczelkami złączy kompresyjnych — to wytłaczane profile neoprenowe o złożonym przekroju poprzecznym z wieloma wewnętrznymi pustkami lub przegrodami. Uszczelki te są instalowane poprzez wciśnięcie ich do odpowiednio przygotowanej wnęki złącza. Uszczelka jest utrzymywana na miejscu przez własny odzysk elastyczny — przekrój jest przewymiarowany w stosunku do szczeliny złącza o 20 do 40 procent, więc uszczelka wywiera ciągłą siłę ściskającą na ścianki boczne wnęki złącza. Wewnętrzna geometria przegród jest zaprojektowana tak, aby zapewnić wodoszczelną barierę, jednocześnie umożliwiając uszczelce rozszerzanie się i kurczenie w miarę zmiany szczeliny złącza wraz z temperaturą. Typowe profile uszczelek kompresyjnych obejmują konstrukcje hantlowe, wieloprzegrodowe i skrzynkowe, każda zaprojektowana dla określonych zakresów ruchu i warunków montażu.
Proces instalacji uszczelek kompresyjnych wymaga precyzyjnego przygotowania złącza. Wnęka złącza musi mieć czyste, równoległe powierzchnie betonowe o gładkości powierzchni takiej, aby nierówności nie przekraczały 1/8 cala (3 mm) na 10 stóp (3 m). Złącze jest zazwyczaj formowane z metalową grodzą podczas układania betonu lub cięte piłą do precyzyjnych wymiarów po związaniu betonu. Klej wiążący — zazwyczaj dwuskładnikowy związek epoksydowy lub polisiarczkowy — jest nakładany na ścianki boczne złącza bezpośrednio przed montażem uszczelki, aby zablokować uszczelkę na miejscu i zapobiec migracji wody wzdłuż granicy guma-beton. Uszczelka jest następnie ściskana za pomocą specjalnego narzędzia montażowego (rolki lub narzędzia dźwigniowego) i wkładana do złącza. Narzędzie montażowe musi być tak dobrane, aby ścisnąć uszczelkę do między 50 a 70 procent jej swobodnej szerokości dla prawidłowego montażu.
Zdolność przenoszenia ruchu uszczelek kompresyjnych jest określana przez projekt przekroju uszczelki i stopień początkowego ściśnięcia. Dla typowej uszczelki kompresyjnej o szerokości 2 cali (51 mm) zainstalowanej w szczelinie złącza o szerokości 1,5 cala (38 mm), zdolność przenoszenia ruchu wynosi około ±50 procent zainstalowanej szerokości, co oznacza, że złącze może otworzyć się do 2,25 cala (57 mm) i zamknąć do 0,75 cala (19 mm). AASHTO M297 klasyfikuje uszczelki kompresyjne według zdolności ruchu w kategoriach od ±25 procent do ±75 procent zainstalowanej szerokości. Uszczelka musi być zaprojektowana tak, aby działać w pełnym zakresie ruchów termicznych bez utraty kontaktu ze ściankami bocznymi złącza (co tworzy ścieżkę wycieku) i bez wyciskania z wnęki złącza (co stwarza zagrożenie dla ruchu).
Dylatacje taśmowe — zwane również elastomerowymi uszczelkami taśmowymi — stanowią bardziej zaawansowaną technologię uszczelniania złączy, zapewniającą większą zdolność przenoszenia ruchu i lepszą wodoszczelność. System uszczelki taśmowej składa się z wytłaczanego profilu neoprenowego z centralną, rozdętą lub składaną sekcją, która przenosi ruch, flankowaną końcówkami kotwiącymi, które są mechanicznie blokowane w stalowych szynach krawędziowych. Stalowe szyny krawędziowe są zatapiane w płycie betonowej po każdej stronie szczeliny dylatacyjnej. Taśma neoprenowa jest zaprojektowana jako wymienna bez naruszania betonu — końcówki kotwiące są wciskane w stalowe szyny i mogą być wyciągnięte za pomocą specjalnego narzędzia do demontażu, gdy wymagana jest wymiana.
Uszczelki taśmowe zapewniają zdolności przenoszenia ruchu od 2 cali (51 mm) do 6 cali (152 mm) lub więcej, w zależności od konstrukcji profilu i odstępu między stalowymi szynami krawędziowymi. Mieszanka neoprenowa stosowana w uszczelkach taśmowych musi spełniać te same wymagania materiałowe co uszczelki kompresyjne zgodnie z AASHTO M297, z dodatkowymi wymaganiami dotyczącymi odporności na wyciągnięcie zakotwienia — siła wymagana do usunięcia uszczelki z szyny stalowej musi przekraczać 50 funtów na cal liniowy (87,5 N/cm), aby zapewnić, że uszczelka pozostanie zablokowana na miejscu pod wpływem wibracji wywołanych ruchem i cykli termicznych.
Degradacja neoprenowych uszczelek dylatacyjnych przebiega według tych samych mechanizmów, co opisane dla łożysk — pękanie ozonowe, sztywnienie i odkształcenie trwałe — ale z kilkoma różnicami specyficznymi dla zastosowania. Uszczelki dylatacyjne są narażone na bezpośrednie promieniowanie UV (w mostach z otwartym pomostem), kontakt z oponami pojazdów (co powoduje ścieranie i cykliczne ściskanie), rozpryski chemikaliów odladzających oraz ścierne zanieczyszczenia (piasek, żwir, cząstki soli ścierane przez ruch). Pękanie ozonowe w uszczelkach kompresyjnych zazwyczaj inicjuje się na zewnętrznej powierzchni uszczelki w punktach maksymalnego odkształcenia rozciągającego — zazwyczaj w narożnikach przekroju, gdzie geometria tworzy koncentracje odkształceń.
Utrata przyczepności uszczelki dylatacyjnej — oddzielenie uszczelki od betonowej ścianki bocznej złącza — jest częstym trybem uszkodzenia odrębnym od mechanizmów degradacji materiału. Utrata przyczepności jest spowodowana przez:
Gdy uszczelka kompresyjna traci przyczepność po jednej stronie, może zostać częściowo wysunięta ze złącza, tworząc zagrożenie potknięcia dla pieszych, źródło uszkodzeń opon dla pojazdów oraz otwartą ścieżkę dla wody do podkonstrukcji mostu.
Inspekcja mostowa elementów neoprenowych odbywa się zgodnie z ogólnymi ramami ustanowionymi przez National Bridge Inspection Standards (NBIS) (23 CFR 650, Subpart C) oraz FHWA Bridge Inspector’s Reference Manual (BIRM) (Publication No. FHWA NHI 12-049). Ocena stanu łożysk neoprenowych i uszczelek dylatacyjnych jest częścią rutynowego (24-miesięcznego) cyklu inspekcji wszystkich mostów drogowych w Stanach Zjednoczonych. Protokół inspekcji elementów neoprenowych obejmuje inspekcję wizualną, pomiar degradacji, ocenę funkcjonalną oraz dokumentację ustaleń przy użyciu standardowych systemów oceny stanu.
Inspekcja wizualna rozpoczyna się od obserwacji łożyska lub uszczelki dylatacyjnej z pewnej odległości w celu oceny ogólnego wyglądu i ustawienia. Inspektor następnie podchodzi z bliska (na odległość ramienia), aby zbadać powierzchnie neoprenowe pod kątem degradacji. Kluczowe obserwacje obejmują:
Pomiar odkształcenia ścinającego jest krytyczną oceną funkcjonalną. Inspektor mierzy poziome przesunięcie między górną a dolną częścią łożyska za pomocą linijki lub taśmy mierniczej. To przesunięcie jest porównywane z całkowitą grubością elastomeru w celu określenia odkształcenia ścinającego. AASHTO ogranicza odkształcenie ścinające do 50 procent w warunkach eksploatacyjnych, więc łożysko o całkowitej grubości elastomeru 3 cali (76 mm) nie powinno wykazywać więcej niż 1,5 cala (38 mm) przesunięcia poziomego. Odkształcenie ścinające powinno być mierzone w temperaturze mostu w czasie inspekcji, a zmierzona wartość powinna być porównana z obliczonym ruchem termicznym na podstawie temperatury w danym momencie w stosunku do temperatury montażu. Nadmierne odkształcenie ścinające — szczególnie gdy obserwowane jest przy braku odpowiadającego mu ruchu termicznego — może wskazywać na poślizg łożyska lub jego wyosiowanie.
Ocena obrotu polega na pomiarze kąta między górną a dolną powierzchnią łożyska. Nadmierny obrót — gdy górna powierzchnia łożyska nie jest równoległa do dolnej powierzchni o więcej niż projektowa zdolność obrotowa — może wskazywać, że łożysko nie rozkłada prawidłowo obrotu końcowego dźwigara mostowego. Może to być spowodowane przeciążeniem, sztywnieniem łożyska (które koncentruje obrót na mniejszej liczbie warstw elastomeru) lub utratą materiału łożyska w wyniku degradacji.
Inspekcja uszczelek kompresyjnych koncentruje się na następujących warunkach:
Dokumentacja stanu elementów neoprenowych jest zgodna z systemem kodowania elementów CoRe (Commonly Recognized) stosowanym w systemie inwentaryzacji i oceny konstrukcji National Bridge Inventory (NBI) FHWA. Element 321 (Łożysko Elastomerowe) i Element 323 (Uszczelka Dylatacyjna Elastomerowa) to standardowe elementy kodowania dla neoprenowych elementów mostowych. Każdemu elementowi przypisuje się stan od 1 (stan dobry, brak degradacji) do 5 (stan krytyczny, wymagana wymiana) ze szczegółowymi kryteriami ilościowymi określającymi granice między stanami dla każdego rodzaju degradacji.
Poniższa tabela podsumowuje kryteria stanu dla łożysk elastomerowych z AASHTO Manual for Bridge Element Inspection (MBEI):
| Stan | Pękanie | Odkształcenie trwałe | Odkształcenie ścinające | Sztywnienie |
|---|---|---|---|---|
| 1 (Dobry) | Brak lub powierzchowne | <5% pierwotnej grubości | <25% grubości elastomeru | Zgodnie z pierwotną specyfikacją |
| 2 (Dostateczny) | Spękanie powierzchniowe, głęb. <3 mm | 5-10% pierwotnej grubości | 25-35% grubości elastomeru | Wzrost twardości <10 pt |
| 3 (Słaby) | Umiarkowane pękanie 3-6 mm głęb. | 10-15% pierwotnej grubości | 35-50% grubości elastomeru | Wzrost twardości 10-20 pt |
| 4 (Poważny) | Głębokie pękanie >6 mm głęb. | 15-20% pierwotnej grubości | >50% (z pękaniem) | Wzrost twardości >20 pt |
| 5 (Krytyczny) | Pękanie na pełną głęb. lub odsłonięta stal | >20% pierwotnej grubości | >75% lub grożące wywrócenie | Łożysko niefunkcjonalne |
Decyzja o wymianie neoprenowych łożysk mostowych lub uszczelek dylatacyjnych opiera się na ilościowych progach stanu w połączeniu z oceną inżynierską dotyczącą zdolności elementu do kontynuowania pełnienia zamierzonej funkcji. Kryteria wymiany są wywiedzione z AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, wytycznych FHWA oraz podręczników utrzymania stanowych departamentów transportu.
Kryteria wymiany dla łożysk neoprenowych obejmują następujące progi, z których każdy może uruchomić wymianę:
Głębokość pęknięcia przekraczająca 6 mm (1/4 cala) w podstawowym obszarze przenoszenia obciążenia lub penetracja pęknięcia przekraczająca 50 procent grubości warstwy osłonowej w łożyskach laminowanych. Ten próg odpowiada Stanowi 4 w AASHTO MBEI i wskazuje, że integralność strukturalna łożyska może być zagrożona.
Szerokość pęknięcia przekraczająca 6 mm (1/4 cala) na powierzchni łożyska, niezależnie od głębokości. Szerokie pęknięcia wskazują na zaawansowaną degradację ozonową i mogą umożliwić wnikanie wilgoci i zanieczyszczeń do wnętrza łożyska.
Pęknięcia rozciągające się na 50 procent lub więcej szerokości łożyska w dowolnym kierunku. Oznacza to, że degradacja jest systemowo rozłożona na całym łożysku, a nie zlokalizowana.
Odkształcenie trwałe przekraczające 10 procent pierwotnej grubości łożyska (granica Stanu 3) w połączeniu z widocznym pękaniem lub sztywnieniem. Łożyska z odkształceniem trwałym większym niż 10 procent, ale bez innej degradacji, mogą pozostać w eksploatacji pod warunkiem zwiększonej częstotliwości inspekcji.
Odkształcenie trwałe przekraczające 15 procent pierwotnej grubości, niezależnie od innej degradacji. Na tym poziomie łożysko utraciło wystarczającą grubość, że rozkład obciążenia pionowego jest zagrożony, a koncentracje naprężeń w punktach styku mogą przekraczać dopuszczalne granice.
Odkształcenie ścinające przekraczające 50 procent całkowitej grubości elastomeru w temperaturze eksploatacyjnej. Zdolność przenoszenia ruchu łożyska została przekroczona, a dalszy ruch może spowodować wywrócenie się łożyska lub wysunięcie z gniazda.
Odkształcenie ścinające przekraczające 75 procent całkowitej grubości elastomeru w dowolnej temperaturze — wymagana natychmiastowa wymiana, ponieważ łożysko jest narażone na ryzyko katastrofalnego uszkodzenia (wywrócenie lub wyciśnięcie).
Delaminacja wykryta w dowolnym miejscu łożyska — wymagana natychmiastowa wymiana. Łożysko z delaminacją utraciło działanie zespolone między gumą a stalą i nie może niezawodnie przenosić obciążenia pionowego.
Odsłonięte wkładki stalowe w łożyskach laminowanych — ochronna osłona gumowa została przerwana, a korozja wkładek stalowych będzie przyspieszona. Łożysko musi być wymienione, aby zapobiec propagacji korozji wkładek do sąsiednich obszarów związanych.
Wybrzuszenie lub zlokalizowane odkształcenie bocznej powierzchni łożyska przekraczające 10 procent wymiaru łożyska w planie — wskazuje na wewnętrzną delaminację lub degradację gumy wymagającą dalszego zbadania.
Utrata kontaktu łożyska — jakakolwiek szczelina między łożyskiem a dźwigarem mostowym lub między łożyskiem a podkonstrukcją — wymaga natychmiastowej oceny. Utrata kontaktu wskazuje, że łożysko nie zapewnia już równomiernego podparcia konstrukcji.
Kryteria wymiany dla neoprenowych uszczelek dylatacyjnych kompresyjnych obejmują:
Utrata przyczepności po jednej stronie rozciągająca się na więcej niż 10 procent długości złącza — uszczelka nie jest już wodoszczelna i wymagana jest częściowa wymiana lub ponowne uszczelnienie.
Utrata przyczepności po obu stronach — uszczelka może zostać wysunięta i stwarzać zagrożenie dla ruchu. Wymagana jest natychmiastowa wymiana dotkniętego odcinka.
Wyciśnięcie uszczelki ponad powierzchnię pomostu przekraczające 1/8 cala (3 mm) — stwarza zagrożenie potknięcia dla pieszych i źródło uderzeń opon dla pojazdów. Szczelina złącza zamknęła się poza zakres projektowy uszczelki lub uszczelka uległa odkształceniu trwałemu.
Zapadnięcie uszczelki poniżej powierzchni pomostu przekraczające 1/4 cala (6 mm) — złącze otworzyło się poza zdolność przenoszenia ruchu uszczelki lub uszczelka uległa odkształceniu rozciągającemu. Nagromadzenie zanieczyszczeń w zagłębionym obszarze ogranicza ruch i może powodować tworzenie się kałuż.
Pękanie materiału uszczelki — każde widoczne pęknięcie na pełną grubość ścianki uszczelki (pęknięcie przewiercające) wymaga natychmiastowej wymiany, ponieważ bariera wodoszczelna została przerwana.
Rozdarcie przegrody uszczelki (wewnętrznych ścian pustek w wieloprzegrodowych uszczelkach kompresyjnych) — uszczelka doświadczyła nadmiernego naprężenia rozciągającego i utraciła ciągłość strukturalną.
Uszkodzenie przez przebicie lub ścieranie odsłaniające wewnętrzne pustki — uszczelka nie może już utrzymywać odpowiedniego ściśnięcia względem ścianek złącza.
Sztywnienie skutkujące wzrostem twardości o więcej niż 20 punktów Shore A w stosunku do pierwotnej specyfikacji — uszczelka nie może już utrzymywać odpowiedniego ściśnięcia względem ścianek złącza, aby zapewnić wodoszczelność.
Klasyfikacja pilności dla wymiany łożyska obejmuje trzy kategorie:
Specyfikacje materiałowe, projektowe i badawcze dla neoprenu w łożyskach mostowych i uszczelkach dylatacyjnych są określone przez dwie podstawowe normy w Stanach Zjednoczonych: AASHTO M251 (Standard Specification for Plain and Laminated Elastomeric Bridge Bearings) oraz ASTM D4014 (Standard Specification for Plain and Steel-Laminated Elastomeric Bearings for Bridges). Specyfikacje te ustanawiają wymagania dotyczące składu mieszanki neoprenowej, właściwości fizycznych, tolerancji wymiarowych, wymagań dotyczących wkładek stalowych, integralności wiązania oraz badań wydajnościowych.
AASHTO M251, opracowana przez American Association of State Highway and Transportation Officials, jest nadrzędną specyfikacją dla elastomerowych łożysk mostowych stosowanych w Krajowym Systemie Drogowym oraz we wszystkich projektach drogowych finansowanych z funduszy federalnych. Specyfikacja obejmuje dwa typy mieszanek neoprenowych: Typ I (polimer chloroprenowy o minimalnej zawartości polichloroprenu 50 procent) oraz Typ II (kauczuk naturalny lub mieszanki). W przypadku łożysk mostowych Typ I (neopren) jest specyfikacją domyślną, przy czym Typ II (kauczuk naturalny) jest dozwolony tylko wtedy, gdy jest określony w dokumentach kontraktowych. AASHTO M251 wymaga, aby próbki mieszanki neoprenowej spełniały następujące minimalne wymagania dotyczące właściwości fizycznych po standardowej wulkanizacji:
| Właściwość | Wymaganie | Metoda badania |
|---|---|---|
| Wytrzymałość na rozciąganie, min (oryginalna) | 15,0 MPa (2175 psi) | ASTM D412, Matryca C |
| Wytrzymałość na rozciąganie po 70 h w 212°F (100°C) | min 12,5 MPa (1800 psi) | ASTM D573 |
| Wydłużenie przy zerwaniu, min (oryginalne) | 400% | ASTM D412, Matryca C |
| Wydłużenie po 70 h w 212°F (100°C) | min 350% | ASTM D573 |
| Odkształcenie trwałe, maks (22 h w 212°F) | 35% | ASTM D395, Metoda B |
| Odporność na ozon (50 pphm, 20% odkształcenia, 168 h) | Brak pęknięć | ASTM D1149 |
| Kruchość w niskiej temperaturze | Brak uszkodzenia w -40°F (-40°C) | ASTM D2137, Metoda B |
| Twardość Shore A | 60 ± 5 | ASTM D2240 |
ASTM D4014 zawiera wymagania specyfikacji, które są zasadniczo podobne do AASHTO M251, ale jest normą uznawaną poza federalnym systemem drogowym. ASTM D4014 określa te same wymagania dotyczące mieszanki neoprenowej z niewielkimi różnicami w odniesieniach do metod badawczych. Specyfikacja obejmuje zarówno zwykłe podkładki, jak i łożyska laminowane stalą, z oddzielnymi wymaganiami dla:
AASHTO M297 (Standard Specification for Preformed Elastomeric Bridge Joint Seals) reguluje neoprenowe uszczelki kompresyjne stosowane w mostowych dylatacjach. Wymagania są zbliżone do AASHTO M251, ale dostosowane do specyficznych warunków eksploatacji uszczelek dylatacyjnych:
Specyfikacje mieszanki niskotemperaturowej dotyczą mostów w regionach o zimnym klimacie. AASHTO M251 zezwala na stosowanie specjalnych niskotemperaturowych mieszanek neoprenowych w projektach, gdzie temperatura projektowa spada poniżej -30°F (-34°C). Mieszanki te są formułowane ze zmniejszoną zawartością siarki i wyspecjalizowanymi plastyfikatorami w celu poprawy elastyczności w niskich temperaturach bez znaczącego pogarszania odporności na ozon lub innych właściwości. Mieszanki niskotemperaturowe muszą spełniać wszystkie standardowe wymagania dotyczące właściwości fizycznych plus dodatkowe badania niskotemperaturowe:
Wymagania dotyczące badań i zapewnienia jakości w AASHTO M251 i ASTM D4014 obejmują:
Normy międzynarodowe dla neoprenowych łożysk mostowych obejmują:
Specyfikacje wymagają, aby neoprenowe elementy mostowe zawierały trwałe oznaczenia identyfikacyjne wskazujące: nazwę producenta, typ mieszanki, datę produkcji (miesiąc i rok) oraz numer partii. Oznaczenia te muszą być czytelne przez zamierzony okres użytkowania elementu, co zazwyczaj osiąga się poprzez formowane wypukłe litery, a nie stemple atramentowe lub etykiety, które mogą ulec degradacji.
Wdróż kompleksową ocenę stanu elementów mostów, w tym ocenę łożysk neoprenowych i uszczelek dylatacji. Chroń swoje inwestycje infrastrukturalne dzięki profesjonalnym standardom inspekcji i planowaniu utrzymania opartemu na danych.
Uszczelki kompresyjne preformowane to wstępnie ściśnięte elastomerowe (neoprenowe/polichloroprenowe) listwy wkładane w szczeliny nawierzchni betonowej, które ro...
Cięgno sprężające to wysokowytrzymały element stalowy — najczęściej splot siedmiodrutowy, drut lub pręt — stosowany w betonie sprężonym lub kablobetonie do wywo...
Łożyska mostowe to krytyczne elementy przenoszące obciążenia na przyczółkach i filarach, które przekazują siły z konstrukcji górnej na dolną, jednocześnie umożl...
