Stav betonových vozovek v ČR v roce 2015

Transkript

1 Stav betonových vozovek v ČR v roce 2015 Úvod V posledních deseti letech došlo k poruchám vlivem škodlivých objemových změn betonu (trhliny v betonu, rozpad betonu, střechovitý zdvih desek atd.) na všech dálničních stavbách s cementobetonovým krytem (CBK) v ČR, a to v různém rozsahu. Alarmující je zjištění, že tyto poruchy se týkají úseků ve stáří pouze cca 13 roků (výměna betonového krytu vozovky na R35 Olomouc-Lipník). Výjimkou není ani výskyt poruch na betonovém krytu vozovek se stářím cca 10 let (dálnice D1 v úseku Vyškov - Kroměříž). Dosud u všech úseků nebylo provedeno přesné posouzení příčiny škodlivého rozpínání betonu (moravská část D1 vč. dvou úseků po opravě CBK s použitím recyklátu z původního krytu do nového betonu). Celková délka betonového jízdního pásu dálnic (včetně R) postiženého nějakou formou škodlivého rozpínání betonu v ČR, v různých vývojových fázích, se v současnosti pohybuje v rozsahu 235,2 km (což vyplývá z provedeného pasportu poruch na CBK vlivem rozpínavých reakcí, 2015), podrobněji viz přílohy této zprávy. Z toho vyplývající objem takto postiženého betonu je značný a předurčuje právě tento typ konstrukce cementobetonový kryt vozovek k přednostnímu a komplexnímu řešení problematiky. Ekonomické aspekty, z výše uvedeného vyplývající, jsou také závažné. Ostatní typy betonových konstrukcí, pokud se u nich škodlivé rozpínání projevilo, představují řádově menší objem betonu. U kotveného betonu navíc nehrozí bezprostřední selhání konstrukce nebo dílce, na rozdíl od nevyztužené betonové vozovky. V ČR jsou dálnice s betonovým krytem různého stáří. Při pravidelných a mimořádných prohlídkách provozovaných úseků se ukazuje řada poruch betonových vozovek, které potvrzují i dílčí diagnostiky a rozbory. Protože řada poruch neodpovídá stáří vozovky, objevují se obavy o její celkovou životnost. A protože je též nutno řešit nevyhovující povrchové vlastnosti vozovky, rozhodl se Provozní úsek PÚ ŘSD provést výchozí podrobnější zmapování současného stavu. Na základě výsledků tohoto průzkumu, doplněného podrobnější diagnostikou, bude následně zpracován návrh postupu včasné údržby, oprav, případně rekonstrukcí, který by zajistil požadovanou životnost betonových vozovek. Tento problém nepřiměřeně rychlé degradace betonových vozovek, která neodpovídá předpokládané životnosti, je aktuální i v mnoha jiných zemích, což nabízí možnost spolupráce se zahraničními kolegy při řešení a návrhu příslušných opatření. Problém však zahrnuje i jiné betonové konstrukce.

2 2 Rozdělení jednotlivých úseků CB vozovek v ČR Pro zjednodušení dalšího postupu rozdělujeme betonové vozovky podle stáří a typu na tři kategorie: 1) Jednovrstvové CBK nekotvené, 2) Dvouvrstvové CBK kotvené, uváděné do provozu v letech , 3) Dvouvrstvové CBK kotvené, uváděné do provozu včetně všech vozovek, které jsou ještě v záruce. CBK jednovrstvový nekotvený Tyto vozovky na D1, D2 a D11 byly již částečně rekonstruovány, nebo procházejí modernizací (D1). Zbývající část těchto vozovek je ve stáří a technickém stavu, kdy bude muset být provedena jejich celková rekonstrukce. Na řadě úseků se tak již v posledních 3 letech stalo. Schůdky na spárách a ostatní poruchy, které však celkem odpovídají stáří a intenzitě dopravy, je již neekonomické, neefektivní (časté a opakované omezovaní provozu) a časově náročné průběžně odstraňovat. Dle stavu úseků těchto vozovek a finančních možností je nutno navrhnout harmonogram rekonstrukcí, který by akceptoval i možnosti uzavírek. Zároveň byl výskyt ASR zaznamenán na CBK i na dálnici D2 a v některých stoupacích pruzích dálnice D1 betonovaných od roku O způsobu jednotlivých rekonstrukcí je nutno rozhodnout na základě podrobné diagnostiky (stav podkladních vrstev, možnosti recyklace betonu, atd.). Nelze vyloučit možnost segmentace betonových desek a jejich překrytí asfaltovými vrstvami. Vedle předpokládané ceny by měla být rozhodující doba rekonstrukce (omezení provozu), návaznost na sousedící úseky, počty mostů, rezerva podjezdné výšky pod mosty a podobně. CBK dvouvrstvový kotvený, uváděný do provozu v letech Jde o nejpočetnější a neproblematičtější skupinu vozovek ve stáří 6 19 roků. Zahrnuje to celkem cca 527 km jízdního pásu D a R v ČR (délky jsou počítány v každém směru včetně úseků s mosty s AB vozovkami). Jedná se převážně o vozovky na D1, D5, D11, R35. U těchto vozovek, vzhledem k jejich vyztužení na spárách, již nedochází k tvorbě schůdků, ale převládá alkalická, případně ettringitová nebo jiná rozpínavá reakce. Ty se projevují na CBK tvorbou drobných mapových trhlinek, přes podélné i příčné trhliny na betonové desce, až po výtluky na spárách a rozpad CBK (viz příloha 1 a 2). Vývoj poruch z D5, D11 a R35 ukazuje na nutnost přijetí opatření, která by zhoršující se stav zpomalila. Zkušenosti z D5 a D11 ukazují, že zlepšení stavu se dosáhlo uzavřením povrchu asfaltovou vrstvou (dvojitý mikrokoberec, tenká asfaltová vrstva) a tím zabránění sycení povrchu betonové vrstvy vodou s chloridem sodným při zimní údržbě. Tento způsob opravy řeší také nevyhovující úseky z hlediska protismykových vlastností vozovek. Návrhy zkoušení technologií budou tam, kde výtluky jsou již v řádech několika centimetrů a dochází k celkové destrukci betonu, je nutno provádět větší opravu. Je přitom snaha udržet a využít na spárách vyztužený beton jako podklad nové konstrukce. K tomu přispívá i pohled veřejnosti, pokud by se bourala celá betonová deska po 12-ti až 19-ti letech provozu. Otázkou zůstává, kdy by měl být CBK chráněn asfaltovou vrstvou. Ukazuje se, že pokud v betonu probíhá nepříznivá rozpínavá chemická reakce, první projevy mohou nastat již po 5 letech, po 10-ti až 15-ti letech začínají poruchy prudce akcelerovat. V této době by již měl být povrch uzavřen. Rozhodujícím kritériem by měl být vývoj poruch, který je nutno sledovat a kombinovat s diagnostikou, zejména zkouškami pevnosti betonu v prostém tahu, nejlépe v laboratoři na vývrtech průměru 150 mm odebraných z celé tloušťky desky (viz např. zkušenosti v lit. 7), případně i ověření pevnosti betonu v prostém tahu přímo na trase. Navrhujeme při opravách vyzkoušet i způsob používaný v SRN, odfrézování porušeného betonu na hloubku cca 8 cm a nahrazení asfaltovými vrstvami (případně je možné rozsah variantně upravit) tak, aby nedocházelo k zasažení kotevní oblasti CBK a eliminovalo se riziko vystřelení či dokonce zasažení

3 3 kluzných trnů a kotev při frézování (viz příloha 5 a 6 německé zkušenosti naznačující řešení podobné problematiky jako v ČR). Rozhodnutí o způsobu opravy musí být podloženo diagnostikou (poloha kluzných trnů a kotev, stav betonu CBK v celém jeho průřezu (zejména v jádře) včetně všech podstatných fyzikálně-mechanických vlastností CBK), při rozhodování je nutno vzít do úvahy, že nelze předpokládat 100% kladných výsledků, a že životnost takovéto opravy bude kratší, ale její provádění rychlejší a levnější. Na většině úseků, kde jsou jen drobné trhlinky (stav I dle německého předpisu doporučení pro diagnostiku škod a stavební údržbu betonových vozovek poškozených alkalicko-silikátovou reakcí ASR příloha 4), doporučujeme zvážit před započetím zimní údržby postřiky, uzavírající povrch, ale umožňující betonu dýchat (dříve prováděné impregnací na bázi fermeže, nyní se vzhledem k ochraně životního prostředí používají vodou rozpustné látky, ale i nanotechnologie). Některé tyto technologie údržby a oprav by bylo vhodné ověřit ještě v tomto roce. Pro stadium 0 a I (viz dále uvedené dělení) je však prvním zásadním opatřením obnova resp. výměna těsnění všech spár CBK je to opatření pro co největší omezení přístupu vody do konstrukce krytu vozovky a je v souladu s ČSN EN 206 a dalšími technickými předpisy (např. lit. 9, 10). CBK dvouvrstvový kotvený, uváděný do provozu v letech včetně vozovek v záruce U úseků, kde se již před koncem záruky vyskytuje stav I bude sledován vývoj stavu vzhledem k požadované životnosti CBK.

4 4 Vyhodnocení stavu Diagnostický průzkum byl navržen ve dvou rovinách: a) Zmapování současného stavu vozovek s CBK v ČR a výběr nejvhodnějších metod diagnostiky rozsahu a dopadu probíhajících rozpínavých reakcí v betonu realizace proběhla v roce 2015 b) Pravidelné sledování vývoje stavu vozovek s CBK (SHV, proměnné parametry, ověřené diagnostické postupy, atd.) bude probíhat cca 1x ročně, počínaje rokem Je zcela zásadní, aby dálniční vozovky byly pravidelně diagnostikovány měřicími vozidly a záznamy odpovědně vyhodnocovány. To umožní optimalizaci při plánování opatření a prodloužení životnosti vozovky. Vedlejším produktem sumarizace poruch betonových vozovek budou podklady pro úpravu metodického pokynu Zásady pro hodnocení výhod a nevýhod asfaltových a cementobetonových technologií. Ukazuje se jasně, že náklady na údržbu betonových vozovek v současných podmínkách jsou větší, než se předpokládalo a jejich životnost je kratší. Volba typu konstrukce vozovky by měla vycházet z konkrétních podmínek a cenové nabídky. U rekonstrukcí pak též z doby nutného omezení provozu, jako je tomu v naprosté většině vyspělých zemí. Podrobný pasport Provozní úsek PÚ ŘSD provádí v současné době podrobný pasport vad, způsobených rozpínavými reakcemi v betonu vozovek s CBK (příloha 1 a 2). Kompletní diagnostika probíhá v několika krocích pasport (vizuální prohlídka), diagnostický průzkum (např. stanovení pevnosti betonu v prostém tahu, atd.), analýza jednotlivých složek betonu (kamenivo, cement) a srovnání receptur z různých úseků. Je třeba identifikovat příčinu poruchy (ASR, stáří betonu, atd.) a na základě ní pak navrhnout opatření (také v závislosti na době realizace tohoto opatření). Vyhodnocování stavu CBK v závislosti na stádiu rozpínavé reakce Dosavadní technický předpis TP 91 a TP 92 platný pro ČR není pro praktické potřeby ŘSD z hlediska vyhodnocování stavu CBK v závislosti na poruchách vlivem rozpínavých reakcí v betonu - dostatečně rozpracován. Dle německého předpisu (příloha 4) týmu německých specialistů, který vyvinul údržbový manuál, rozlišujeme tři stupně poškození CB krytu, na základě kterých se pak vybírá technologie údržby případně opravy:

5 5 I. Začínající trhliny, zabarvení v oblasti příčných spár, začínající tvorba síťových trhlin, začínající tvorba podélných trhlin na příčných spárách, tvorba tangenciálních trhlin v oblasti křížení spár. II. Výrazné trhliny výrazná tvorba síťových trhlin a podélných trhlin na příčných spárách, další příčné trhliny rovnoběžně se spárou, další tvorba podélných trhlin v jízdních stopách, nedochází ke ztrátě hmoty. III. Úbytek betonové hmoty, silná poškození povrchu betonu, výlomy v oblasti příčných spár, začínající tvorba betonového štěrku. Cílem vytvoření tohoto rozčlenění pro vyhodnocování vozovek je globalizovat a zefektivnit systém údržby betonových vozovek a pomocí včasného zásahu zastavit (výrazně zpomalit) rozpad CBK již v začátcích a prodloužit tak životnost CBK.

6 6 Při pasportizaci jednotlivých CB vozovek v ČR (příloha 1 a 2) došlo k upřesnění vyhodnocování stupně poškození vyhodnocuje se převažující stupeň porušení na úseku a zároveň se doplňuje o určení stavu nejhoršího místa na daném úseku (jednotlivé vyhodnocované úseky jsou v intervalu po 50 m). Proces rozpínavé reakce je nevratný ale pomocí vhodných opatření může být zpomalen, je proto zásadní určit kdy (při jakém stupni poškození) navrhnout jaký typ opatření. Faktory ovlivňující poškození CBK Je potřeba detailněji diagnostikovat důvody rychlé degradace cementobetonových vozovek. V místech se stupněm poškození III provést zkoušky pevnosti betonu v prostém tahu, atd. Všeobecně je potřeba se zabývat recepturou betonu na různých stavbách v souvislosti se stupněm poškození, podrobně zkoumat všechny složky betonu jako je cement, kamenivo, podrobná petrografie, atd. Úsek kontroly a kvality ÚKKS ŘSD by měl ve spolupráci s laboratořemi a výzkumnými organizacemi identifikovat příčiny (spočívající ve složkách betonu) rychlé degradace betonových vozovek a určit předběžná opatření pro prodloužení jejich životnosti (na základě celorepublikového pasportu poruch na CBK vlivem rozpínavých reakcí prováděného Provozním úsekem PÚ - ŘSD). Významnými faktory ovlivňujícími vývoj degradace CBK jsou stavební materiály (kvalita cementu, kamenivo, návrh receptury), technologie (podmínky při výstavbě, technologická kázeň, atd.), dopravní intenzita (podíl těžké nákladní dopravy, třída dopravního zatížení), klimatické podmínky (výkyvy teplot, mrazové cykly, výška hladiny podzemní vody, vlhkost), atd. Souhrn závěrů z pasportizace CBK v ČR Pasport CBK v ČR (formou vizuální prohlídky) byl proveden na 480 km CBK v ČR (podrobněji viz příloha 1 a 2). Postupně byly na každém vybraném úseku jednotlivých D či R vyhodnocovány 50-ti metrové úseky jednotlivě v každém jízdním pruhu, na kterých byl určen převládající stupeň poškození CBK, který se do pasportu vyznačoval barvou buňky (viz obr. níže). Zároveň, pokud se na tomto 50-ti metrovém úseku vyskytovala lokální místa s horším stavem, než převládající stav, bylo k barevnému označení převládajícího stupně poruchy doplněno číslo označující nejhorší stupeň poruchy na daném úseku. Stupeň, který se vyskytoval na 50-ti metrovém úseku pouze lokálně (v pasportu označen číslem) je vyhodnocován v průměrně uvažované ploše 10 % z 50ti metrového úseku. bez poruch stupeň I stupeň II stupeň III 1 bez poruch s lokálním výskytem stupně I 2 stupeň I s lokálním výskytem stupně II 3 stupeň II s lokálním výskytem stupně III úsek AB Z provedené pasportizace bylo vyhodnoceno procentuální zastoupení stupňů poškození CBK na jednotlivých úsecích dálnice. Zároveň byly tyto jednotlivé úseky rozčleněny, v závislosti na stáří CBK, do čtyř skupin (CB vozovky starší 15ti let, let, 5-10 let, CB vozovky mladší 5ti let) a ty pak vyhodnoceny dohromady.

7 7 Na následujícím grafu je shrnut stav všech vyhodnocovaných CB vozovek v ČR bez ohledu na jejich stáří. Jedná se celkem o 480 km CBK, z čehož je dle provedeného pasportu 243,0 km vyhodnoceno bez poruch, 137,8 km je zasaženo stupněm poškození I, 89,1 km je zasaženo stupněm poškození II a 10,1 km je ve stupni III. Stav CB vozovek km 2% 18% Bez poruch 51% Stupeň I Stupeň II Stupeň III 29% V pasportu bylo vyhodnocováno celkem 138,9 km CB vozovek, které jsou starší než 15 let (tedy zhruba v polovině předpokládané doby životnosti). Následující graf ukazuje stádium jejich poškození. Jako úseky bez poruch bylo vyhodnoceno 16,3 km, ve stupni I 60,6 km, ve stupni II 54,9 km, ve stupni III 7,0 km. Stav CB vozovek starších 15ti let (139 km) 5% 12% Bez poruch 39% Stupeň I Stupeň II Stupeň III 44%

8 8 Dále byly vyhodnocovány vozovky, které byly zhotoveny před 10ti až 15ti lety (celkem 52,6 km). Z toho bylo 8,8 km označeno za bezporuchové, 17,5 km za stupeň I, 23,2 km za stupeň II a 3,1 km za stupeň III. Stav CB vozovek ve stáří let (53 km) 6% 17% Bez poruch Stupeň I 44% Stupeň II Stupeň III 33% Vyhodnocované vozovky staré 5-10 let (219,0 km) vykazovaly bezporuchovost na 149,2 km, stupeň I byl nalezen na 58,7 km, stupeň II na 11,0 km a stupeň III nikde. Stav CB vozovek ve stáří 5-10 let (219 km) 5% 0% 27% Bez poruch Stupeň I Stupeň II Stupeň III 68%

9 9 U nejmladších vyhodnocovaných vozovek (69,7 km) ve stáří do 5ti let nebylo nalezeno poškození CBK ve stupni II a III, pouze 1 % plochy bylo zasaženo stupněm I (tedy cca 700 m dálničního pásu). Stav CB vozovek ve stáří do 5ti let (70 km) 1% 0% 0% Bez poruch Stupeň I Stupeň II Stupeň III 99% stáří vozovky bez poruch stupeň I. stupeň II. stupeň III. celkem roky % km % km % km % km km , , ,9 5 7,0 138, , , ,2 6 3,1 52, , ,7 5 11,0 0 0,0 218, ,6 1 1,0 0 0,0 0 0,0 69,6 celkem , , ,1 2 10,1 480,1

10 10 Nápravná opatření Možné varianty technologií oprav jednotlivých stádií poškození CBK (od stádia I po stádium III): 1) Impregnace 2) Mikrokoberec (jednovrstvý/dvouvrstvý) 3) Částečné odfrézování CBK a pokládka AB souvrství (po ověření zkušebního úseku) 4) Segmentace nebo rozdrcení CBK na místě s následným překrytím asfaltovými vrstvami (nadvýšení původní nivelety) 5) Výměna CBK Rozčlenění nápravných opatření: a) Volba správné strategie údržby a oprav b) Vyloučení dalšího opakování na dnes a výhledově betonovaných úsecích Měla by vzniknout metodika pro efektivní rozhodnutí o údržbě či opravě po zatřízení betonové vozovky na základě stupně poškození. Po zkušenostech z provádění výše zmíněného pasportu PÚ ŘSD doporučuje nalézt technologii, která bude schopná objektivně detekovat počáteční stádium (stupeň I) automaticky. Jednou z možností jsou nátěry impregnace sloužící zejména k zakonzervování stavu a prodloužení životnosti vozovky. Mezi další možnosti údržby, které uvádí německý předpis (příloha 4) patří překrytí (mikrokoberec za studena, asfaltová obrusná vrstva do 40 mm, asfaltový kryt mm variantně s odfrézováním části krytu) nebo obnovení (zesílení krytu, výměna krytu). Je potřeba rozšířit spektrum nápravných technologií na více než přetah CBK mikrokobercem či vybourání cementobetonových desek a zaměřit se i na technologie opravy méně hlučné než mikrokoberec (tenké AB vrstvy, variantní překrytí CBK asfaltovými vrstvami se zachováním úrovně původní nivelety, atd.). Koncepčně je třeba vypracovat metodiku pro určení doby a typu zákroku např. impregnace při zjištění stupně poškození I., aby se stav vozovky zakonzervoval a dále výrazně nezhoršoval. Pro zamezení nepříznivých reakcí v betonu v nově pokládaném CBK v rámci modernizace D1 a na dalších stavbách a opravách po roce 2015 (problém se však týká i mostů!) je nezbytné důkladně revidovat technické předpisy a normy, zejména výrobkové specifikace složek betonu (cement, kamenivo), TP MD a další, a to právě na základě zkušeností z předchozích výše uvedených zkušeností s poruchami CBK v ČR. Výhodou je znalost složení betonu v poruchových úsecích CBK na stavbách ŘSD (receptury, průkazní zkoušky betonu a jeho složek, kontrolní zkoušky betonu), uložená v archivech OŘJ a ZL Praha a Brno, dnes ÚKKS, a nebude proto problém případné škodlivé složky betonu vytipovat. Velkým problémem výrobkové specifikace (ČSN EN) pro cementy je ne dobře nastavený systém měření a regulace obsahu účinných alkálií v cementu (tato specifikace je v podstatě nastavena samotnými výrobci cementu s cílem zajistit vaznost cementu, nikoliv zajistit trvanlivost betonových konstrukcí typu CBK, které jsou vystaveny venkovním podmínkám, zimní údržbě apod.), jedné ze dvou hlavních příčin rozpínavých reakcí betonu. Provozní úsek ŘSD ČR proto požaduje důkladnou analýzu příčin minulých a současných poruch CBK, vyloučení skutečných příčin poruch betonu rozpínavými reakcemi již pro pokládku CBK v úsecích počínaje r Požaduje se též úzká spolupráce mezi ÚKKS v této věci s Úsekem výstavby (ZP), který za kvalitu výstavby CBK prostřednictvím Správce stavby a TDS přímo zodpovídá, s cílem od r spolehlivě vyloučit všechny skutečné příčiny možných budoucích

11 11 škodlivých reakcí v betonu CBK. Pokud by se výše uvedený úkol nepodařilo v požadovaném termínu splnit (analýza a vyloučení škodlivých složek betonu), mohlo by to znamenat případné požadavky budoucího majetkového správce CB vozovky na další prodloužení záruční doby díla.

12 Trendy, předpoklady 12

13 13 Výhled a opatření do budoucnosti Vědecké instituce a výzkumné ústavy, ale i zhotovitelé, musí urychleně řešit důvody rozpadu betonových vozovek. Pokud však životnost CBK do doby celkové rekonstrukce klesne na dobu 15-ti až 25-ti let, je to pro ŘSD katastrofou. Je proto nutné zapojit do řešení týmy odborníků a úzce spolupracovat a využívat zkušenosti ze zahraničí zejména SRN, Rakouska a USA, a dalších, od kterých byly tyto technologie převzaty. Pokud se v dohledné době těmto poruchám účinně nezamezí, bude nutné revidovat stávající schválený metodický pokyn Zásady pro hodnocení výhod a nevýhod asfaltových a cementobetonových technologií, která dnes CBK na dálnicích de facto stanovuje. Přílohy: 1. Pasportizace Čechy D5 D11 R6 D8 SOKP 512 SOKP 513 SOKP 514 SOKP 515 SOKP Pasportizace Morava D1 R35 R48 R55 3. Odtrhové zkoušky (pevnosti betonu CBK v prostém tahu) 4. Doporučení pro diagnostiku škod a stavební údržbu betonových vozovek poškozených alkalicko-silikátovou reakcí (ASR) český překlad Empfehlungen für die Schadensdiagnose und die Bauliche Erhaltung von AKR-geschädigten Fahrbahndecken aus Beton, Fortschreibung April Německá prezentace - Sanierung von Alkali 6. Německá prezentace - 5 Jahre Erfahrungen mit baulichen Erhaltungsmaßnahmen an AKR- geschädigten Fahrbahndecken aus Beton Literatura: [7] Hromádko, J., Rakovec, M., Syrovátka, V.:, Zpráva č.1103-b/98 o odběrech a zkoušení vývrtů z CB krytu na dálnici D11 v km 28,783-39,880, ZL ŘSD, Praha 2/ Vývoj poznatků o škodlivém rozpínání betonu vlivem chemické reakce kameniva na betonových stavbách v ČR v posledních 10 letech sborník 11.

14 14 konference Technologie betonu (Jihlava 2013), Sekce A: Materiály pro beton, 14 stran. 9 Report CR 1901:1995, Regional Specifications and Recommendations for the avoidance of damaging alkali silica reactions in concrete, CEN, Brussels 6/ TNI CEN/TR 16349Zásady pro stanovení podmínek k zabránění poruch v betonu v důsledku alkalicko-křemičité reakce (ASR)