Protismykové vlastnosti cementobetonových krytů v tunelech
Příspěvek pojednává o dlouhodobém výzkumu možných vlivů na protismykové vlastnosti vozovek v tunelech a o kvantifikaci některých vlivů s uvedením konkrétních naměřených hodnot.
V této souvislosti je příznivá skutečnost, že z důvodu nižší intenzity světla v tunelech (schopnost nasvítit vozovku v tunelu) je nutno rychlost dopravy omezit nejčastěji na 80 km/h (čím vyšší rychlost je povolena, tím větší intenzita osvětlení je požadována, ale to naráží jak na ekonomické možnosti – množství spotřebované elektrické energie a strmý růst počtu drahých osvětlovacích zařízení, tak i na technické možnosti – pro rychlost 130 km/h je již takřka nemožné osadit dostatečné množství osvětlení). Samozřejmě s klesající rychlostí a klesajícím požadavkem na intenzitu osvětlení klesá i požadavek na hodnotu (kvalitu) protismykových vlastností, kdy rychlost 80 km/h je pro dosahované parametry vozovky v tunelu přípustná.
Proč na vozovkách v tunelech jsou na cementobetonových krytech měřeny horší protismykové vlastnosti, není dnes zřejmé a vysvětlení není jednoduché, uvědomíme-li si, že použité směsi betonu jsou před tunelem i v něm stejné. Že použitý finišer na pokládku CB krytu před tunelem i v tunelu je také stejný. Že úprava povrchu vozovky před tunelem i v tunelu je totožná atd. Částečně to můžeme vysvětlit odlišnými podmínkami v tunelu a mimo něj (sluneční svit, proudění vzduchu, vlhkost vzduchu, UV záření atd.) při realizaci vozovky a těsně po ní, kdy dochází k tuhnutí a tvrdnutí betonu vozovky, a tím k vytváření hlavního předpokladu protismykových vlastností vozovky – pevnosti, otěruvzdornosti a dalších mechanických vlastností betonu jako takového, ale hlavně jeho povrchu. Dalším vysvětlením je možnost, že ochranný parotěsný postřik betonové vozovky, který je na bázi vosku a slouží k zajištění optimálního prostředí pro zrání betonu (zabránění odparu vody z betonu), se v tunelu díky absenci slunečního svitu, UV záření, deště, větru a dalších vnějších vlivů odbourává mnohem pomaleji (nebo vůbec ne) než u vozovky mimo tunel. Vysvětlení je možno hledat také v prostředí, které při provozování tunelu uvnitř je. Množství výfukových zplodin, nečistot a dalšího znečištění, které se na vozovku usazují, snižují její protismykové vlastnosti. Samozřejmě by se dalo najít spoustu dalších vysvětlení, ale pro naše úvahy tyto výše uvedené vlivy byly dostatečné, proto jsme se pokusili některé blíže prověřit a zjistit jejich relevantní vliv na protismykové vlastnosti.
Konkrétně jsme se pokusili ověřit vliv ochranného parotěsného postřiku betonové vozovky a vliv vnitřního prostředí (výfukové zplodiny) a dalšího znečištění vozovky. Naše poznatky a výsledky měření najdete v další části tohoto příspěvku.
Zadání výzkumu
Akciová společnosti Skanska, divize silniční stavitelství, závod Betonové a speciální technologie, se jako jeden z největších realizátorů cementobetonových (CB) krytů v České republice a na Slovensku a s působností i v Polsku rozhodla na několik otázek uvedených v úvodu najít relevantní a měřeními podložené odpovědi, které by mohly vést k výraznému zlepšení protismykových vlastností provozovaných i nových vozovek v tunelech. Jelikož pro náš závod je technologie CB krytů stěžejní, je i v našem vlastním zájmu najít věrohodné argumenty mluvící o velikosti jednotlivých vlivů na protismykové vlastnosti, místo toho, abychom používali dohady a nepotvrzené domněnky.
Protože jsme si byli vědomi složitosti problematiky a nutnosti sběru dat po delší sledované období, rozvrhli jsme tento projekt do asi 3,5 roku, z čehož asi jeden rok trvaly přípravy, zjišťování zkušebních metod, realizace prvních ověřovacích zkoušek, výroba zkušebních vzorků atd., dva roky trvalo samotné zkušebnictví v reálných podmínkách vozovek a asi 6 měsíců trvalo vyhodnocení získaných výsledků. Projekt byl zahájen v říjnu 2008 a ukončen včetně prezentací získaných výsledků v první polovině roku 2012.
Technické parametry zadání
A. Zjišťování vlivu ochranného parotěsného postřiku – odbourávání v čase
V případě bodu A jsme parametry zjišťovali:
a) na nejběžněji používaném ochranném postřiku v ČR a SR, který je na bázi vosku a dodává ho firma MC-Bauchemie – Emcoril B (VM),
b) na možném náhradním produktu stejného dodavatele (MC-Bauchemie) – Emcoril AC, který je na bázi akrylátů.
Jak v případě podbodu a), tak i b), jsme zkoušky prováděli v těchto časových rozestupech:
- v době zahájení měření (v tomto okamžiku se zkušební vzorky ukládaly do reálných a laboratorních prostředí),
- 60 dnů (2 měsíce) od uložení zkušebních vzorků,
- 120 dnů (4 měsíce) od uložení zkušebních vzorků,
- 180 dnů (6 měsíců – půl roku) od uložení zkušebních vzorků,
- 360 dnů (12 měsíců – 1 rok) od uložení zkušebních vzorků,
- 720 dnů (24 měsíců – 2 roky) od uložení zkušebních vzorů.
Dále jsme volili různá prostředí uložení zkušebních vzorků. Jako reálné podmínky jsme zvolili uložení zkušebních vzorků:
- v bezpečnostním zálivu tunelu Sitina v Bratislavě, směr Brno–Bratislava, bezpečnostní záliv uprostřed tunelové roury – podmínky vozovky v tunelu.
- před portálem tunelu Sitina v Bratislavě, směr Brno–Bratislava, byly vzorky uloženy ve směru jízdy za tunelem na okraji vozovky v těsné blízkosti tunelové roury (asi 20 m za portálem) – podmínky vozovky mimo tunel.
Jako laboratorní podmínky jsme zvolili uložení zkušebních vzorků:
- ve sklepě administrativní budovy závodu v Uherském Hradišti – klimatizovaný prostor s konstantní teplotou simulující podmínky vozovky v tunelu, pouze zde nebyl vliv zplodin z dopravy,
- na dvoře administrativní budovy závodu v Uherském Hradišti – simulace obdobných podmínek, jaké měly vzorky uložené vedle vozovky před portálem tunelu, pouze zde nebyl vliv zplodin z dopravy.
B. Zjišťování vlivu vnitřního prostředí – znečišťování vozovky v tunelu
Znečišťování vozovky jsme zjišťovali pomocí Petriho misek, které jsme umístili do tunelu vedle zkušebních vzorků určených pro měření podle bodu A. Pomocí Petriho misek jsme zjišťovali:
a) množství mechanických nečistot (prachu, písku atd.) usazených v Petriho misce,
b) množství usazených mastnot především z výfukových plynů.
C. Zjišťování vlivu údržby na protismykové vlastnosti
Jaký vliv má kvalita údržby na protismykové vlastnosti, jsme zjišťovali měřením lokálních míst pomocí metody kyvadla před očištěním a po různě intenzivním očištění v tunelu Komořany na stavbě SOKP (Silniční okruh kolem Prahy) – stavba 513 Vestec–Lahovice. K uskutečnění tohoto měření nás přivedla praktická zkušenost z betonáže (realizace) vozovky v tomto tunelu, kdy výfukové plyny z finišeru a nákladních vozidel přivážejících beton před finišer zapříčinily to, že po týdnu betonáže vozovky byla osobní vozidla, která popojížděla před finišerem, zcela pokryta silnou vrstvou černých mastnot a nečistot, které z vozidel šly jen velmi těžce odstranit mytím saponáty. Provedení tohoto pokusného měření podpořilo i nevyhovující měření protismykových vlastností vozovky před uvedením tunelu do provozu (v době od realizace vozovky v tunelu po měření nevyhovujících protismykových vlastností probíhal v tunelu pouze omezený staveništní provoz).
Obr. 2 Tloušťka vrstvy ochranného postřiku na bázi vosku (Emcoril B (VM)) – spojnicový s vyznačením trendů
Obr. 3 Tloušťka vrstvy ochranného postřiku na bázi akrylátu (Emcoril AC) v případě esterové vazby – spojnicový s vyznačením trendů
Obr. 4 Tloušťka vrstvy ochranného postřiku na bázi akrylátu (Emcoril AC) v případě CH3 vazby – spojnicový s vyznačením trendů
Výsledky projektu
Výsledky k jednotlivým výše uvedeným bodům jsou prezentovány v následujících tabulkách a grafech pod totožným číslováním, pod kterým byly popsány výše.
A. Zjišťování vlivu ochranného parotěsného postřiku – odbourávání v čase
Vzorky ve stáří 0 (hodnoty na počátku experimentu) byly použity jako referenční hodnoty tloušťky ochranné vrstvy. K této referenční hodnotě byly stanovovány – srovnávány tloušťky ochranné vrstvy po uvedených dnech expozice v daném prostředí (tunel, vedle vozovky mimo tunel, na dvoře, ve sklepě). Poměr referenční hodnoty k následně měřeným hodnotám je uveden v procentech původní (referenční) hodnoty. Zkoušení probíhalo v akreditované zkušební laboratoři ITC – Institut pro testování a certifikaci, a. s., ve Zlíně.
Testování jednotlivých vzorků bylo prováděno pomocí metody spektrální analýzy v infračervené oblasti pomocí spektrometru FTIR za podmínek běžných pro kvalitativní analýzu polymerů. Byla použita technika spekulární reflektance povrchu betonu. Získaná spektra byla matematicky upravena automatickou Kramers-Kröngovou korekcí.
V případě vosku byla měřena absorbance vlnočtu 2 920 cm–1. Tento vlnočet odpovídá celkové sumě alifatických uhlovodíků (oleje, vosky a podobně). V případě akrylátu vlnočet 1 734 cm–1 odpovídá esterové vazbě. Pro akrylát bylo provedeno rovněž separátní hodnocení na vlnočtu 2 960 cm–1, který odpovídá CH3 vazbě v akrylátu.
Rozdíl oproti běžné praxi při betonáži je v tom, že při tomto experimentu se ochranné postřiky (nátěry) nanášely na ztvrdlý beton nařezaných těles, kdežto při reálné betonáži se prostředky nanášejí na čerstvý beton. Další rozdíl je v namáhání reálné konstrukce a zkušebních vzorků. Zkušební vzorky byly vystaveny pouze působení okolního prostředí, kdežto reálná konstrukce je zatížena mechanicky (otěr povrchu vozovky pneumatikami, údržba čistícími vozy atd.), což odbourávání ochranného prostředku urychlí.
B. Zjišťování vlivu vnitřního prostředí – znečišťování vozovky v tunelu
Podobně jako vzorky uložené v prvém případě byly uloženy v tunelu i čisté Petriho misky. Tyto misky jsme do tunelu umístili, abychom zjistili znečišťování tunelu v čase (u vzorků opatřených ochranným nátěrem bylo jejich znečišťování zjišťováno od samého začátku experimentu) bez vlivu ochranného postřiku betonu. Ukázka znečišťování je viditelná pouhým okem na vzorcích betonů odebraných po dvou letech (obr. 5 až 8). Jak je vidět na uvedených fotografiích, vzorek ze sklepa je úplně bez znečištění (obr. 5). Vzorek ze dvora (obr. 6) je mírně znečištěn hrubými nečistotami (prach a písek), jinak bez znečištění. Vzorek vedle vozovky (obr. 7) je opět mírně znečištěn hrubými nečistotami (prach a písek) a mírně nečistotami z provozu vozidel (mastný film). Vzorek v tunelu (obr. 8) byl naopak takřka bez hrubých nečistot (prachu a písku), ale zato s obrovským nánosem nečistot z provozu vozidel (mastný film).
 |
 |
||
| Obr. 5 Ukázka stavu experimentálního vzorku po dvou letech uložení ve sklepě – Emcoril AC | Obr. 6 Ukázka stavu experimentálního vzorku po dvou letech uložení na dvoře – Emcoril AC | ||
 |
 |
 |
|
| Obr. 7 Ukázka stavu experimentálního vzorku po dvou letech uložení vedle vozovky – Emcoril AC | Obr. 8 Ukázka stavu experimentálního vzorku po dvou letech uložení v tunelu – Emcoril AC |
Na základě výše uvedeného zjištění (optického zjištění znečištění na vzorcích) jsme přistoupili k dalšímu experimentu – měřením, která měla objektivně zjistit množství znečištění v tunelu. Postup tohoto experimentálního měření byl následující: do tunelu (vedle vzorků určených pro měření odbourávání ochranného postřiku) byly umístěny Petriho misky, u kterých byla známa jejich přesná hmotnost a půdorysná plocha. Po vyjmutí misek z tunelu (misky byly v tunelu uloženy dva měsíce) bylo provedeno opětovné přesné zvážení pro zjištění mechanických nečistot. Tato zjištěná hodnota byla následně přepočtena na 1 m2 za dva měsíce a 1 m2 za rok. Následně bylo provedeno měření množství usazenin (mastnot) v Petriho misce takto: misky byly vymyty pentanem, pentan byl slit do kádinky, kde byl ponechán k odpaření, zbytek v kádince (odparek) byl rozpuštěn v trifluortrichlorethanu, analyzován podle ČSN 75 7606 a následně podle zkušební metody A-07-79 (ČSN 75 7606). Ukázka znečištění v Petriho miskách je na obr. 9. Zjištěné výsledky jsou uvedeny v tab. 2. Toto měření bylo opět provedeno v ITC Zlín.
C. Zjišťování vlivu údržby na protismykové vlastnosti
K měření pomocí metody kyvadla se přistoupilo z důvodu objektivního zjištění vlivu různého druhu (intenzity) údržby vozovky (na malých plochách). Na základě výsledků tohoto experimentu bylo následně provedeno důkladné umytí vozovky v tunelu a nové měření protismykových vlastností vozovky firmou Měření PVV. Bylo zjištěno, že po důkladném umytí horkou tlakovou vodou se saponátem se zlepšily protismykové vlastnosti vozovky o dva až tři stupně. Experimentální měření kyvadlem prováděl Ústav pozemních komunikací Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně v rámci projektu MD ČR vedeného pod označením CG923-038-910 – Zlepšení trvanlivosti protismykových vlastností nově položených i opravených povrchů cementobetonových krytů vozovek s vysokým dopravním zatížením, 2009–2010. Výsledky tohoto měření jsou uvedeny v tab. 3.
 |
 |
| Obr. 9 Ukázka Petriho misek po vyjmutí z tunelu po dvouměsíčním uložení a) 120–180 dnů, b) 360–420 dnů |
|
Závěr
A. Zjišťování vlivu ochranného parotěsného postřiku – odbourávání v čase
Porovnáním jednotlivých naměřených hodnot zjišťujících rychlost odbourávání ochranného parotěsného prostředku je možné konstatovat, že:
- není žádný zásadní rozdíl v rychlosti odbourávání mezi produktem Emcoril B (VM) (na bázi vosku) a produktem Emcoril AC (na bázi akrylátu). Rychlost odbourávání parotěsných prostředků je přibližně srovnatelná;
- nebylo prokázáno, že by absence UV záření a dalších vnějších vlivů v tunelech měla vliv na rychlost odbourávání jednotlivých druhů parotěsných prostředků. Z naměřených hodnot dokonce plyne, že v tunelech dochází k odbourávaní rychleji.
Pokud shrneme naměřené výsledky, můžeme na jejich základě konstatovat, že parotěsný ochranný postřik neovlivňuje protismykové vlastnosti vozovek v tunelu a mimo tunel odlišně.
B. Zjišťování vlivu vnitřního prostředí – znečišťování vozovky v tunelu
Měřením bylo prokázáno, že znečišťování vnitřního prostředí tunelu provozem (prach, mechanické nečistoty, saze atd.) je značné a zásadním způsobem ovlivňuje protismykové vlastnosti vozovek.
- Spad všech nečistot na 1 m2 vozovky za rok je takřka 0,7 kg. Například při šířce vozovky 10,9 m (například právě realizovaný Dobrovského tunel v Brně – 8,5 m šířka vozovky + 2 × chodník šířky 1,2 m) na 1 m délky tunelu připadá spad nečistot za rok v množství asi 7,6 kg. Z jedné tunelové roury dlouhé 1,2 km by tedy ročně mělo být uklizeno 9,12 t mechanických nečistot spadlých na vozovku a chodníky.
- Spad mastných částic, které zásadním způsobem ovlivňují protismykové vlastnosti vozovek, je na 1 m2 vozovky za rok takřka 12 g. Při stejném šířkovém uspořádání 10,9 m (tunel Dobrovského) na 1 m délky tunelu připadá spad mastných nečistot za rok v množství asi 131 g. Z jedné tunelové roury dlouhé 1,2 km by tedy ročně mělo být odstraněno 157 200 g = 157,2 kg mastných nečistot spadlých na vozovku a chodníky.
C. Zjišťování vlivu údržby na protismykové vlastnosti
Z výše uvedeného je zřejmé, že vliv ochranného parotěsného prostředku v tunelu je stejný jako mimo tunel. Zásadně odlišné je ale znečišťování vozovky v tunelu ve srovnání s vozovkou mimo tunel (viz B). A právě vzhledem k tomuto značnému znečišťování je nutné věnovat extrémní pozornost údržbě (čištění) vozovky. Řádně prováděnou (správný postup), intenzivní a účinnou údržbou lze protismykové vlastnosti udržovat v přijatelných mezích (hodnotách blížících se vozovkám mimo tunel). Jinými slovy, na základě výsledků můžeme konstatovat, že nedostatečná údržba může z vyhovujícího stupně protismykových vlastností 2 udělat i nevyhovující stupeň protismykových vlastností číslo 5.
TEXT: Ing. Jiří Šrůtka
FOTO: Skanska
Jiří Šrůtka je technolog ve společnosti Skanska, a. s., divize silniční stavitelství, závod Betonové a speciální technologie.
Literatura
1. Výsledky experimentů a zkoušek Skanska, a. s.
2. Protokoly zkoušek – ITC – Institut pro testování a certifikaci, a. s., ve Zlíně.
3. Výsledky experimentálního měření kyvadlem – Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemních komunikací. Projekt MD ČR vedený pod označením CG 923-038-910.
Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.
