A közlekedésépítési szakterület mérnöki és tudományos folyóirata. ISSN
11. szám
11
Bejegyzés

Útpályaszerkezeti esettanulmányok: Reflexiós repedések

1. Bevezetés

A hidraulikus kötésű alaprétegekkel rendelkező aszfaltos pályaszerkezetek egyik jellemző meghibásodása az ún. „reflexiós” repedések megjelenése. A küzdelem ezek ellen hazánkban – a későbbiekben látható módon – egyrészt eredménytelen, másrészt meglehetősen sokba kerül. A kettős kudarcról szerzett tapasztalataim késztettek arra, hogy „klaviatúrát ragadjak” egy bejegyzés írására.

2. A jelenség

A hidraulikus alaprétegű pályaszerkezetek aszfaltburkolatán röviddel annak elkészülte után jellemzően a tengelyre merőleges repedések jelennek meg. Idővel, a további megjelenő repedések jól felismerhető periodicitás szerint helyezkednek el. Később – már kifejlődött állapotban – másodlagos repedések is megjelennek, akár hosszirányban is, innentől zavarosodik a kép. Az aszfaltburkolat esetleges eltávolítása esetén megfigyelhető, hogy az aszfaltrepedések jól egybeesnek a hidraulikus alapréteg repedéseivel, innen a „tükörrepedés” kifejezés is.

3. Némely régi dolgokról

A probléma hazánkban a betonutak aszfaltburkolattal való ellátásánál merült fel. (Boromisza Tibor Az aszfaltburkolatok reflexiós repedéseiről Közúti közlekedés- és mélyépítéstudományi szemle 1998/10). A közel 1200 km régi betonút pompás lehetőséget adott a probléma reális megfigyelésére (ismert a hézag helye, szélessége, a beton anyaga stb.) Alapvetően a KTI „nagy generációja” kezdte meg a problémamegoldást (kb. világszínvonalon, aki nem hiszi, járjon utána) nagyon sok érdekes eredménnyel. A „felsőbbség” (lásd a cikket) aztán nem támogatta tovább a feltétlen sikerrel kecsegtető munkát.
Innentől kezdve egy – egy projekt „belügyeként” voltak kutatások (közpénzből, a köz elől lényegében eltitkolva). Ebből aztán következett, hogy szakmai tudás híján megjelentek a mítoszok. Ez jól felismerhető abban, hogy hiányzik a tiszta fizikai kép a jelenségek elemzésében, leírásában, másrészt fegyelmezetlenül alkotunk definíciókat és kevés tartalommal bíró jelzős szerkezeteket.
Amikor a „merev” útpályaszerkezetekben gondolkodunk, emberöltők óta tudomásul vesszük, hogy azokat hézagokkal kell építeni. Sajnálatosnak tartom ugyanakkor, hogy a szabályozásokban, egyetemi jegyzetekben, előadásokban a hézag kérdése kissé diffúz módon van taglalva, szó van a vadrepedések miatti hézagképzésről, a beton kis relaxációs képességéről, jelző nélküli zsugorodásról stb. A probléma pedig nagyon is egyszerű, a beton szilárdulás közben zsugorodik és ilyenkor még jellemzően kicsi a húzószilárdsága, ezért, tudatos beavatkozás nélkül szabálytalan („vad”) repedések jelentkeznek benne. Később, a zsugorodás döntő részének végbemenetele után, a húzószilárdság nő (nyugodtan számoljunk években a folyamat hosszát tekintve), olyan mértékre, hogy lényegesen meghaladja a már kialakított hézagok miatt korlátozott, hőmérsékletváltozás kiváltotta feszültségeket. Ezen tisztázatlanságok után teljesen érthető, hogy a sok hasonlóságot mutató reflexiós repedések esetében sok a zavar gyakorlatunkban.

4. Egy kis elmélet

Az írás terjedelme nem enged meg hosszabb fejtegetést, de legalább a jelenség alapvető fizikai magyarázatára szükségünk van. Az elméletet „Anti – reflective cracking design of (reinforced) asphaltic overlays (PHD dissertation, de Bondt, Adriaan Herman, 1999, Delft)” felhasználásával nyertem. A szerző által felállított modell nem túl bonyolult és a valósággal egyező módon írja le és számíthatóvá is teszi a jelenséget.

4.1. A magára hagyott hidraulikus alapréteg

Az alapelem egy kellően hosszú, hidraulikus kötőanyagú alapréteg, amely megszilárdult állapotban van és a következő ismert tulajdonságokkal rendelkezik:

• rugalmassági modulus
• hőtágulási együttható
• keresztmetszete (1000 mm lemezszélesség mellett vastagsága)
• kiinduló, kellően nagy hossz
• húzószilárdság

Ismertek még a következő adatok:

• súrlódás az alatta lévő réteggel
• hőmérsékletkülönbség „0” állapothoz képest (itt megszilárdulás)

Mindezek ismeretében számíthatóak a lemezben keletkező húzófeszültségek (elméletileg a lemezhossz közepén van a maximális érték), ha a húzófeszültség meghaladja a húzószilárdságot, a lemez elreped, ez a folyamat addig ismétlődik, amíg a feszültség nagyobb, mint a szilárdság. Vegyük észre azt, hogy a befolyásoló változók számossága és viszonylag széles értékhatáraik, továbbá térben és időben történő változékonyságuk miatt meglehetősen sokféle kimenet lehetséges. Az 2. ábrán tanulmányozhatjuk a folyamatot, a számításhoz reális anyagállandókat és körülményváltozókat vettem fel.
A tanulmányozás során a következőkre kell felhívni a figyelmet:

• hangsúlyozni kell ismét, hogy a modell a kész, megszilárdult lemezre vonatkozik
• a modell nem „kezeli” ennek megfelelően a kötési zsugorodásból eredő feszültségeket
• a modell szintén nem „kezeli” az esetleges forgalomból eredő feszültségeket
• alapvető kérdés a kialakult húzószilárdság, mert ennek magas értéke esetén esetlegesen nem is megy végbe a repedéskialakulás

4.2. A repedezett alapréteg és a ráépített aszfaltréteg

Az előző folyamatban (elvileg azonos hosszúságú) részelemekre repedezett alaprétegre építsünk aszfaltréteget és vizsgáljuk meg a teljes rendszer együttes viselkedését.
A hidraulikus réteg esetében már ismertek a tulajdonságok, a továbbiak a következők:

• aszfalt rugalmassági modulus
• geometriai adatok (rétegvastagság)
• az aszfalt hőtágulási együttható

Ismertek még a következő adatok:

• súrlódási együttható az aszfalt és a hidraulikus alapréteg között
• hőmérsékletkülönbségek a „0” állapothoz képest (az aszfalt esetében 20 C°- ot tételeztem fel „0” állapotnak)

A fentiek alapján a teljes rendszerben keletkező feszültségek számíthatók, ezt tanulmányozhatjuk a 3. ábrán.
A következőket kell kiemelni:

• a feszültségek határozottan függenek a repedéstávolságtól
• a hidraulikus alaprétegekben ilyen viszonylag kis repedéstávolság mellett minimális feszültségek keletkeznek
• az aszfaltrétegben a maximális feszültségértékek az alapréteg repedései fölött vannak, de a teljes hosszon is magasak a húzófeszültségek

Amint látjuk, a modell szemrevaló módon írja le az eseményeket.

4.3. Az elmélet alapján levonható következtetések

Tanulmányozva a valós adatokkal végrehajtott számítások eredményeit, a következők állapíthatók meg:

• kizárólag a meteorológiai hatások alapján lehetséges a hidraulikus alaprétegek periodikus „osztódása”
• a kialakult repedések felett az aszfaltrétegben csúcsfeszültségek jönnek létre, amelyek az aszfalt repedését okozhatják, de a minimumfeszültségek is magasak

5. A repedések meggátlásának koncepciója

A később ismertetendő esettanulmány idején a következő „védekezési” szabályozás volt életben, ez a „Félmerev útpályaszerkezet nagymodulusú aszfaltburkolattal” MF 3.1/2004 részeként a teljes projektre vonatkozott. Azonnal feltűnik, hogy a fejezetcím „mérséklésről” beszél, a későbbiekben aztán a „teljes élettartamra” (pályaszerkezet esetén 20 év!) való „megakadályozás” szerepel. Sajnálatos az is, hogy lényegében minden lehetséges intézkedés szerepel a szövegben, de azok végrehajtásával kapcsolatban (mikor, milyen feltételek mellett, milyen időpontban, milyen mélységben stb.) nincs előírás és igazából még az sem világos, hogy az összes intézkedés rendszerbefoglalt módon legyen végrehajtva. Vizsgáljuk meg ezek után, hogy a szabályozás alkalmazásának mi volt az eredménye.

6. Esettanulmány

Egy gyorsforgalmú útszakaszon, amelyen a hivatkozott szabályozást alkalmazták, kevesebb, mint négy évvel a forgalomba helyezés után, keresztirányú repedéseket tapasztaltak, dokumentált módon akkor viszonylag keveset.
A következő, mintegy egy év alatt a regisztrált repedésszám nagymértékben nőtt, az üzemeltető társaság egy részletes vizsgálatot rendelt el, a továbbiak főleg ezen vizsgálat eredményeit mutatom be.

6.1. A pályaszerkezet

A pályaszerkezet a már hivatkozott előírásnak megfelelő „R” forgalmi terhelési osztályú volt.

Mindenképpen megjegyzendő, hogy a C – 12 alapréteg először itt került alkalmazásra.

6.2. Repedések 2006 – 2011 között

A vizsgálat a repedések felmérésével kezdődött az egyik szakaszon a következő repedésleltár készült.
Tanulmányozva a 6. ábrát, a következők állapíthatók meg:

• az 5 éves pályaszerkezeten számos keresztirányú repedés tapasztalható
• a repedések mindkét oldalon, mindhárom sávban, közel azonos mennyiségben keletkeztek

A fentiekből az alábbi következtetések adódnak:

• a reflexiós repedések a forgalommal nem terhelt sávokon is létrejöttek
• felismerhető a periodicitás, itt vegyük figyelembe, hogy a folyamatnak egy részét „látjuk”

Az már most megállapítható, hogy a védelmi koncepció súlyos kudarc, hiszen az eredmény nem nevezhető „mérséklésnek”, különösen nem az élettartam első negyedében.

6.3. A vizsgálat eredménye 1.

A vizsgálat egyik célja az volt, hogy a kivitelezés során betartották-e a nagymértékben kontrollált módon elkészült technológiai utasításokat. Nos, a megállapítás egyértelmű volt, minden TU elkészült, megfelelően jóváhagyta a Mérnök és azokat az építés során maradéktalanul betartották. Itt egy nagy lélegzetet kell venni, esetleg ezután feltenni a kérdést, hogy ki fizeti a révészt (ki viszi el a balhét)? Mert az előírt intézkedéseknek nem volt eredménye, pedig biztosan sok pénzbe kerültek. Erre a kérdésre ugyanakkor nem a szakértőnek kell válaszolni.

6.4. Érdekességek

A vizsgálat során tapasztaltunk néhány érdekességet, illetve felmerültek más kérdések is, ezeket most megosztom az olvasókkal.

6.4.1. Szabálykövetés

Az előírás szerint a hézagolást „Kraft” módszerrel kell végrehajtani

A módszer a képen látható, a valóságban a következők történtek:

• a teljes projekt 2/3–án a megszilárdult réteget gyémántkoronggal vágták
• a hézagtávolság mindenütt 3,0 m volt
• a hézagok a tengelyre merőlegesen lettek kialakítva

Meg kell jegyezni, hogy ezek az eltérések engedélyezve lettek. Számomra kérdés az, hogy – legalább a valóban fontos ferde hézagolás – miért nem valósult meg.

6.4.2. Fúrt magminták

Korlátozott számban sikerült olyan magmintákat venni, amelyek vizsgálata érdekes következtetésekre vezet.

Balról kezdve az alábbiak állapíthatók meg:

• a „védelmi” koncepció szerint minden esetben így kell viselkedni a rendszernek
• a második esetben valami nem működik, a C – 12 alapréteg a provokáció ellenére nem repedt el, ez kudarc
• a harmadik esetben „minden” elrepedt, ez is a védelmi koncepció kudarca
• a negyedik nagyon izgalmas, van egy közbenső, nem repedt réteg, de ez is kudarc

A védelmi koncepció fontos része a provokált repedések megvalósítása az alaprétegben. Erre az esetre számításokat is végeztem, a vizsgálatok alapján adódó anyagparaméterekkel, az eredményeket a 9. ábrán lehet tanulmányozni.

A diagramon a folytonos vízszintes vonal a provokáció (koronggal történt vágás) időpontjában a valószínű húzószilárdság, a pontozott vonal a vizsgálat idején mért húzószilárdság. A keletkező feszültség itt a hőtágulásból eredő feszültség. A koncepció szerzői nyilván a merev pályaszerkezetek esetében megszokott hézagképzésben gondolkodtak, de ott a kötési zsugorodás a rásegítő igénybevétel, ami az útbetonok esetében lényegesen nagyobb, mint a C – 12 esetében (a cementstabilizációról nem is beszélve).

6.4.3. A megszilárdulási hőmérséklet kérdése

A védelmi koncepció – mint azt az előző pontban is láttuk – a megszilárdult (szilárduló) alaprétegben létrejövő húzófeszültséget tételez. A zsugorodásból – már említettem – nem keletkezhet érdemi húzófeszültség. Vizsgáljuk meg azt az esetet, amikor a hidraulikus alapréteg a megszilárdulás után felmelegszik.

Nos, a modell azt mutatja, hogy amennyiben a megszilárdulás viszonylag alacsony hőmérsékleten történik, a felmelegedés nyomófeszültségeket gerjeszt. És itt vissza kell térni a „védelmi” koncepció fizikai tartalmának átgondolatlanságára, mert amennyiben hézagokat akarunk képezni (képeztetni), akkor tudnunk kell, hogy ezt milyen mechanizmus útján kívánjuk elérni, ez viszont adott esetben az építés körülményeinek is függvénye lehet. Nincs tehát „királyi út”, céljaink eléréséhez az adott szituációban alkalmas módszert kell tudnunk alkalmazni, akár többfélét is. Az itt felvázoltak fontosságának belátásához érdemes tanulmányozni a következő ábrát.

Az alapréteg – építés közbeni – torlódásos tönkremenetele egyben választott modellünk verifikálásaként is felfogható.

6.4.4. Az erősítő aszfaltháló

A „védelmi” koncepció beszél egy kettős szerepet játszó „erősítő aszfaltrács” – ról:

• egyrészt legyen „SAM” réteg (ez kb. azt jelenti, mint az autóüvegek közbenső, lágy rétege, feladata a repedés továbbterjedésének megakadályozása, a képek tanúsága szerint ez nem működik
• másrészt „erősítse” az aszfaltot (hogy mivel szemben, az homályos)

Ez utóbbira egy tudományos munkából (Dr. Almásy Kornél) idézek egy ábrát.

A rácsok nem akarják növelni az aszfalt húzószilárdságát az elvégzett vizsgálatok szerint. A kérdést nem feszegetem tovább, mert ennél azért összetettebb, de a lényeg az, hogy a „védelmi” koncepció újabb eleme bizonyult hatástalannak.

6.5. A vizsgálat eredménye 2.

Természetes a kérdés, hogy akkor mi a repedések oka? Miután a repedést okozó feszültség nagyon sok tényezőtől függ, ebben a viszonylag egyszerű modellben is, egy érzékenységvizsgálatot hajtottam végre (ez, a magyarázó változók szisztematikus csökkentése a magyarázás súlyának függvényében). A vizsgálatban – hasonló paraméterekkel – szerepelt szemcsés alaphelyzet is. Az eredményeket a 13. ábrán lehet tanulmányozni.

A megfogalmazható következtetések az alábbiak:

• az aszfaltréteg(ek)ben mindig keletkeznek tengelyirányú feszültségek a gátolt alakváltozás miatt
• a gátlás mértéke az, ami megkülönbözteti a hidraulikus, illetve szemcsés alaprétegen a viselkedést
• a rendszerben az aszfaltok modulusa és a hőmérséklet a két legfontosabb magyarázó változó
• az aszfalt húzószilárdsága meglehetősen hőmérsékletfüggő, de a projekt esetében a mérések 4 MPa körüli értékeket mutattak, ennél lényegesen nagyobb húzófeszültségek teljesen reálisak
• az érzékenységvizsgálat a projekt aszfaltvastagságával számolt, az aszfaltvastagság esetleges növelése arányosan csökkenti a feszültségeket
• a repedések nagy valószínűséggel a hidraulikus réteg részleges, vagy teljes repedéseivel esnek egybe (itt feszültségcsúcsok jönnek létre)
• a hidraulikus rétegen a SAM réteg repedésterjedést gátló hatása, továbbá az aszfaltrács erősítő hatása nem érvényesül
• számolni kell azzal is, hogy az ismétlődő – akár a húzószilárdságot el nem érő – feszültségek fáradási jellegű repedést okoznak

A 14. ábrán felismerhető, hogy az első repedések megjelenésének időszakában meglehetősen alacsony hőmérsékletek is előfordultak, és ami talán még fontosabb, nagy sebességűek voltak a lehűlések, ez az aszfalt relaxációs képességének kedvező hatását csökkentheti. Ez a hatás önmagában elegendő volt, hogy a repedések megjelenjenek.

7. Következtetések

A következtetések igen egyszerű eredményre vezetnek, a reflexiós repedéseket hidraulikus alaprétegen megakadályozni nem lehet. Az aszfaltkeverékek modulusának csökkentése és a húzószilárdság (pontosabban a szakadónyúlás) növelése a hazai aszfaltfilozófiák teljes újragondolásával járható út, személyesen a szemcsés alaprétegek újrafelfedezésével együtt törekednék megoldásra.

8. Befejezés

Tisztában vagyok azzal, hogy ez egy nehéz anyag, nem bonyolítom tovább, csak emlékeztetek Boromisza Tibor torzóban maradt eredményére, a repedéskialakulás sebessége 1 cm/év, azóta rosszabb kötőanyagaink vannak. Az aszfaltrácsok marketingjének töredékéből egy hasonlóan egyszerű és pontos eredményt ki lehetett volna fejleszteni.


Hozzászólás

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.