Vozovky s tenkou vystuženou cementobetónovou doskou. Aká je ich história a kde sa využívajú?

Opravy cementobetónových vozoviek patria k náročným technologickým operáciám v cestnom staviteľstve. Opravy menej poškodených krytov z cementového betónu sa robia väčšinou pomocou plastických mált, epoxidových a polyesterových živíc alebo špeciálnych hmôt. Príspevok ukazuje vybrané aspekty problémov opravy zosilnením, ku ktorému siahame, ak sú povrchové poruchy dosiek veľmi rozsiahle, alebo ak je potrebné zväčšiť prevádzkovú výkonnosť vozovky.

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Konštrukcie letiskových vozoviek

Pri návrhu a výstavbe letiskových stavieb stojí investor a zhotoviteľ pred voľbou výberu vhodného typu krytu vozovky. V zásade ide o dve základné možnosti, a to cementobetónovú alebo asfaltobetónovú technológiu. Obe prešli dlhým vývojom, ktorý zohľadňoval najmä odstraňovanie ich nevýhod a zdokonaľovanie predností vlastností základných spojív, cementu a asfaltu [7].

Vzletové a pristávacie dráhy (VPD), pojazdové dráhy a stojánky lietadiel sa výrazne odlišujú od cestných vozoviek najmä tým, že sú vystavené oveľa väčším nápravovým tlakom s väčším hustením pneumatík. Prudký nárast celkovej hmotnosti lietadiel možno vidieť najmä v rokoch vývoja leteckej techniky.

Hodnotenie únosnosti letiskových dráh s cementobetónovým krytom je medzinárodne koordinované. Okrem návrhu výstavby nových, dostatočne únosných letiskových dráh s predpokladanou životnosťou, je cieľom aj objektívne posudzovať stav existujúcich vozoviek, aby bolo v prípade potreby možné urobiť včas opatrenia na zosilnenie alebo rekonštrukciu vozovky.

Vozovka počas svojej životnosti degraduje a  postupne vznikajú poruchy v celej konštrukcii. Spôsobené sú prevažne únavou konštrukčného systému, respektíve cementobetónovej dosky. Okrem únavových javov súvisiacich s vyčerpaním prevádzkovej výkonnosti môžu tieto poruchy súvisieť aj s chybami pri výrobe a spracovaní betónu, jeho ošetrení, prípadne s nesprávnou údržbou.

Opravy a rekonštrukcia letiskových vozoviek

Opravy cementobetónových vozoviek patria medzi náročné technologické operácie v cestnom staviteľstve, preto im treba venovať zvýšenú pozornosť. Opravy menej poškodených krytov z cementového betónu sa robia väčšinou pomocou plastických mált, epoxidových a polyesterových živíc alebo špeciálnych hmôt. Jedným z riešení obnovy je aj zosilnenie konštrukcie vozovky, o ktorom uvažujeme vtedy, ak sú povrchové poruchy dosiek veľmi rozsiahle, alebo ak treba zvýšiť prevádzkovú výkonnosť vozovky. V takomto prípade sa používa zosilnenie (obr. 1):

• asfaltovými vrstvami,
• tenkou vystuženou cementobetónovou doskou TEVYCED,
• doskami z nevystuženého cementového betónu.

V prvom a treťom prípade je otázkou návrhu voľba vhodnej hrúbky zosilnenia a úprava povrchu existujúcich dosiek, v druhom prípade je otázkou návrhu úprava spojovacej škáry. Problémy však môžu nastať tam, kde dosky existujúcej vozovky nie sú stabilizované (ustálené) a dochádza k ich pohybu v priečnom smere (prekacovaniu). V tomto prípade sa pristúpi k rozrušeniu (dolámaniu) dosiek starej vozovky na bloky s plochou 0,5 až 1,5 m², ktoré sa zhutnia, upravia vyrovnávacou vrstvou a prekryjú asfaltovými vrstvami [9].

Ekonomika opráv, respektíve zosilňovania poškodených vozoviek z cementového betónu je viazaná na technické a technologické problémy spolupôsobenia s asfaltovými vrstvami. Malá adhézia (najmä asfaltových betónov) na styku obidvoch vrstiev znemožňuje navrhnúť hospodárne tenké asfaltové vrstvy. Problémom je aj možné kopírovanie trhlín a škár do tenkých asfaltových vrstiev. Preto je dôležitým kritériom pri návrhu hrúbky zosilnenia stupeň porušenia a požadované dopravné zaťaženie.

V prípade zosilnenia doskou z prostého cementového betónu je jej hrúbka okolo 20 až 25 cm, použitím výstuže možno túto hrúbku redukovať na 12 až 14 cm. Nadbetónovanie hornej dosky sa môže urobiť priamo na starú dosku, čím dochádza k čiastočnému spojeniu obidvoch dosiek, alebo možno použiť medzivrstvu (najčastejšie asfaltovú), čím sa predpokladá vodorovný pohyb na styku vrstiev.

Asfaltová medzivrstva zabezpečuje pri krátkodobom zaťažení úplné spolupôsobenie obidvoch dosiek, pri dlhodobom zaťažení však umožňuje voľný posun dosiek navzájom medzi sebou [11]. Z hľadiska mechaniky je zosilnenie pôvodnej vozovky z cementového betónu novou doskou otázkou viacvrstvového systému.

Tenká vystužená cementobetónová doska

Tenká vystužená cementobetónová doska predstavuje spôsob zosilnenia a opráv poškodených vozoviek z cementového betónu. TEVYCED je československý konštrukčný typ, ktorý vyvinuli na VAAZ Brno (Vojenská akadémie Antonína Zápotockého, v súčasnosti Univerzita obrany) a realizoval sa na niekoľkých pokusných úsekoch. Bol aplikovaný na letiskových dráhach, neskôr bol k nemu vypracovaný aj predpis, určený predovšetkým pre investorské a projektové organizácie a stavebné podniky.

Pod pojmom tenká vystužená cementobetónová doska sa rozumie vozovkový kryt s hrúbkou 8 až 14 cm, určený predovšetkým na rekonštrukciu poškodených vozoviek. Výstuž zo zváraných sietí (priemer drôtov je 4,0 až 8,0 mm) s veľkosťou oka 10 až 20 cm sa navrhuje v množstve 0,05 až 0,5 %. Výstuž má čiastočne statickú funkciu (zvýšenie únosnosti), v prvom rade má však podstatne znížiť prekopírovanie trhlín a škár z podkladu na povrch a takisto sa má podieľať na predĺžení dĺžok dosák.

Pod tenkou doskou je teplotná a zároveň aj klzná medzivrstva, ktorá má v prvom rade znížiť teplotný gradient v doske, a tým aj napätie od teplotného namáhania, a umožniť jej voľnú horizontálnu dilatáciu.

Pri výpočte hrúbky zosilnenia sa stanoví hrúbka ekvivalentnej nevystuženej dosky pre dané zaťaženie na existujúcom podloží a podkladových vrstvách. Ak hrúbka zosilňovanej a rekonštruovanej dosky vychádza menej ako 8 cm, treba navrhnúť inú úpravu. Ak vychádza hrúbka viac ako 14 cm, treba urobiť ekonomický rozbor, kde sa buď navrhne vyššie percento vystuženia alebo úplná rekonštrukcia spodných dosiek. Priečne škáry hornej dosky sa odporúčalo vystriedať oproti priečnym škáram spodnej dosky. Odporúčaná dĺžka dosiek bola 15 až 20 m. Konštrukčná úprava priečnych škár bola vo forme rezaných kontrakčných škár.

Osobitným problémom boli dilatačné škáry. Bolo nevyhnutné brať do úvahy celý rad vzájomne pôsobiacich parametrov, ako sú hrúbka dosky, typ škár, priľnutie dosky k podkladu v závislosti od teploty, teplotných vplyvov, dĺžky úsekov s kotvenými škárami, resp. vzdialenosť dilatačných škár.

Podľa zahraničných skúseností sa odporúčalo umiestniť výstuž pri hornom líci, ak sa vyžaduje, aby obmedzila vznik a tvorbu trhlín. Ak má výstuž plniť statickú funkciu, má byť v strede dosky na spodnom povrchu, pri škárach a najmä v rohoch pri obidvoch povrchoch (roh je namáhaný prevažne ako konzola). Nad dilatačnými škárami a aktívnymi trhlinami spodnej dosky sa odporúča vystuženie pri oboch lícach dosky.

Rozlišovali sa dva typy medzivrstvy, a to vyrovnávacia a teplotná. Úlohou vyrovnávacej medzivrstvy bolo vyrovnať nerovnosti povrchu starej vozovky a prípadné rozdiely medzi niveletou starej a novej vozovky. Predpokladalo sa prekopírovanie trhlín a škár starej vozovky z cementového betónu do vyrovnávacej vrstvy.

Teplotná klzná medzivrstva mala znížiť teplotný gradient v tenkej doske a znížiť koeficient trenia dosky po podklade. Dobrou vlastnosťou tejto medzivrstvy bolo, že celkom alebo čiastočne umožňovala aj vertikálne deformácie dosiek od zmien teplôt (šúverenia) a spolupodieľanie na predĺžení dĺžok dosák.

Rekonštrukcia letiskových dráh a plôch

Po druhej svetovej vojne prichádza začiatkom 50. rokov k mohutnému rozvoju budovania letísk. Nedostatok výroby ocele však bránil akémukoľvek  použitiu  výstuže  v cementobetónových krytoch vozoviek. Koncom 60. rokov sa začalo s výstavbou československej diaľničnej siete technológiou krytu vozovky z prostej CB dosky, súčasne sa prejavil neudržateľný stav prevádzkovej spôsobilosti na vybudovaných letiskách.

Príčinou bola vysoká  korózia  povrchu týchto krytov a celková nerovnosť, ktorá nezodpovedala už ani potrebám vtedajšej leteckej techniky. K týmto skutočnostiam  sa pridala aj potreba celkovej modernizácie. V polovici 70. rokov dostali Vojenské stavby úlohu postupne do roku 1990 opraviť väčšiu časť letísk s vojenskou aj civilnou prevádzkou na území ČSFR. Rozsah povrchových porúch si vyžadoval opravy súvislým zosilnením, pretože možnosti lokálnych opráv sa vyčerpali. To viedlo k rozvoju dvoch základných aplikácií cementového betónu:

• prostá cementobetónová doska v hrúbke od 210 mm,
• tenká vystužená cementobetónová doska TEVYCED v hrúbke 130 – 150 mm s kari sieťami spočiatku v jednej, neskôr v dvoch vrstvách. 

Uvedené spôsoby rekonštrukcie sa podarilo technologicky zvládnuť aj pri veľkoplošných použitiach. Technológia TEVYCED bola prácnejšia a organizačne náročnejšia [6], v tom čase bola prínosom predovšetkým pri staveniskách so vzdialenejšími zdrojmi kameniva znížením nároku na mimostaveniskovú dopravu a tiež pri potrebe zvládnuť fyzicky požadovaný rozsah rekonštrukcie.

Po rozsiahlych výskumoch a experimentálnych úsekoch in situ sa nová prostá doska postupne nahradila doskou s oceľovou výstužou. Dôvodom bola možnosť výrazného zníženia hrúbky novej dosky až o 45 % pri vystužení 0,2 až 0,5 % prierezu dosky. Hrúbka dosky sa pohybovala v rozmedzí 110 až 150 mm. Umiestnenie výstuže bolo presne definované zásadnou požiadavkou nad neutrálnou osou prierezu dosky a krytím výstuže od horného okraja doky 50-milimetrovou vrstvou betónu [1].

Návrh predpokladal, že výstuž v doske podstatne znižuje možnosť výskytu trhlín, a ak tieto trhliny vzniknú, ich rozovretie nepresiahne pri použití klznej medzivrstvy a dĺžke polí 30 m hodnotu 0,2 mm, čo bráni prenikaniu vody a nečistôt. S uvedeným percentom vystuženia sa bežne realizovali dosky s dĺžkou 15 m. Tieto zásady návrhu boli v tom čase aplikované aj na všetkých realizovaných stavbách, kde boli použité vystužené CB dosky na klznej medzivrstve [2].

Skúsenosti získané pri rekonštrukciách letísk pre dopravné zaťaženie 120 kN sa postupne aplikovali na vyššie dopravné zaťaženie cez 300 kN. Tu však nastal problém nutného zvýšenia hrúbky dosky a tomu zodpovedajúceho percenta vystuženia, ktoré už nepostačovalo pokryť jednoduchou oceľovou rohožou. Bolo nutné pristúpiť k dvom oceľovým rohožiam, ktoré v súčte spĺňali požadované percento vystuženia [3].

Pri použití dvoch oceľových rohoží sa však upustilo od ich uloženia nad rovinu neutrálnej osi, boli v doske uložené pri jej spodnom a hornom okraji. Krytie výstuže pri spodnom okraji bolo dvojnásobkom hrúbky oceľových prútov, minimálne však malo 20 mm, pri hornom okraji zostalo krytie 50 mm.

Pri dokonalej funkcii klznej medzivrstvy by bolo možné reálne predĺžiť dĺžku dosiek až na 30 m pri vystužení 0,5 % bez toho, aby sa prejavil vznik trhlín. Obmedzenie nastalo v dostupnosti tesniaceho materiálu do škár, ktorý by sa dokázal vysporiadať s takým rozovretím [4].

Opodstatnenie dvojitej výstuže pri spodnom a hornom okraji dosky je najmä v  zachytávaní nepriaznivého napätia v priečnom profile dosky, spôsobeného striedaním kladného a záporného teplotného spádu a rozdielnych vlhkostných zmien, spôsobujúcich šúverenie dosiek. Nevýhodou tejto technológie je nevyhnutné rezanie priečnych škár na plnú hrúbku dosky tak, aby bola prerušená aj spodná vrstva výstuže. Výstuž v doske s hrúbkou 220 mm bola navrhnutá z oceľových prútov s profilom 12 mm v oboch smeroch s okami 100 na 150 mm.

Použitie technológie TEVYCED v minulosti

Na overenie funkčnosti tejto technológie sa realizovali takisto pokusné úseky, na ktorých sa sledovala a korigovala optimálna dĺžka dosiek (vtedy používaná 15 m). Zároveň sa sledovalo správanie prosto vystuženej CB dosky na tuhom starom CB kryte, ako aj na novom kryte položenom na tuhom stmelenom podklade [8].

Použitie dvojito vystuženej dosky sa realizovalo v 80. rokoch aj pri betonáži vybraných pásov VPD 06-24 a pojazdových dráh PD A a PD C na letisku Praha – Ruzyně.

Pri rekonštrukcii VPD letiska Brno-Turany sa v tom čase novou technológiou dvojito vystuženej tenkej dosky realizovalo v roku 1990 experimentálne overenie únosnosti krytu dráhy. Vzhľadom na to, že okrajové pásy dráhy boli vystužené iba jednou vrstvou siete, umožnilo to porovnať parametre únosnosti dráhy s jednoducho a s dvojito vystuženou doskou [10]. Rekonštruovanú vrstvu tvoria dosky s rozmermi 7,5 × 15 m s hrúbkou 14 cm, vystužené sieťami z profilu 8 mm, na asfaltovej medzivrstve s hrúbkou 5 cm. Krok jednoduchej výstuže je 10 cm a krok dvojitej výstuže 15 cm.

Meranie sa realizovalo pomocou dynamických statických zaťažovacích skúšok. Zo spracovaných výsledkov boli stanovené všetky základné parametre tuhosti a únosnosti – DMT (dynamický modul tuhosti), polomer relatívnej tuhosti, dosková tuhosť krytu, modul reakcie podkladu, ekvivalentná hrúbka a koeficient spolupôsobenia dosiek na hranách. Po komplexnom zhodnotení meraní výsledky ukázali, že pri voľbe optimálneho spôsobu rekonštrukcie sú najdôležitejšie tieto skutočnosti, resp. kritériá:

• v porovnaní s pôvodnou vozovkou došlo po rekonštrukcii k podstatnému nárastu tuhosti – pri jednoducho vystuženej (v jednej vrstve) o 131 % a pri dvojito vystuženej o 77 %,
• podrobné zmeranie a porovnanie vlastností jeden a dvakrát vystuženej dosky ukázalo, že tieto dva rôzne varianty sa svojimi parametrami líšia iba minimálne,
• prakticky všetky parametre tuhosti jednoducho vystuženej dosky sú v priemere vyššie ako pri dvojito vystužených doskách. Táto skutočnosť paradoxne potvrdzuje, že väčšie množstvo výstuže v dvojito vystužených doskách neprispieva výrazne k ich tuhosti.
• druhým hlavným kritériom pri porovnávaní bola únosnosť vyjadrená medzným momentom, stanovená konkrétne pre stred a roh každej dosky. Aj toto porovnanie ukázalo, že únosnosť jednoducho vystužených dosiek je vyššia ako dvojito vystužených (v strede dosky o 16 % a v rohu dosky o 3 %).

Výsledky experimentálnych a teoretických porovnaní oboch variantov svedčia zhodne o tom, že jednoducho vystužená vozovka mala ako z hľadiska tuhosti, tak aj únosnosti priaznivejšie vlastnosti ako dvojito vystužená vozovka. Tento záver sa vzťahuje iba na hrúbku dosky 140 mm.

Záver

Technológia tenkej vystuženej dosky TEVYCED vznikla ako konštrukčný typ a používala sa výlučne pri rekonštrukciách existujúcich letiskových plôch. Cieľom technológie bolo nielen znížiť hrúbku zosilňujúcej dosky, ale aj obmedziť počet priečnych škár a znížiť nebezpečenstvo vzniku priečnych trhlín.

Hlavnou funkciou výstužných sietí v kryte TEVYCED je zabrániť alebo podstatne obmedziť prekopírovanie škár a trhlín z podkladu konštrukcie vozovky a podieľať sa na predĺžení dĺžok dosiek tak, aby nevznikli zmrašťovacie trhliny, obmedziť zväčšovanie a roztváranie možných trhlín a čiastočne zvýšiť únosnosť, ak je výstuž umiestnená v ťahanej časti prierezu.

Príspevok vznikol s podporou projektu VEGA 1/0463/24 Implementácia inovatívnych riešení a technológií v systémovom prístupe navrhovania vozoviek.

TEXT A FOTO: doc. Ing. Andrea Zuzulová, PhD., Ing. Dominika Glasnáková, PhD., Stavebná fakulta STU v Bratislave, Katedra dopravných stavieb

Článok bol uverejnený v časopise IS 3/2025