Artykuł ukazał się w magazynie AUTOSTRADY, kwiecień 2018 r.
Autor: Agnieszka Poteraj-Oleksiak, GDDKiA
Artykuł przedstawia, w jaki sposób iniekcje geopolimerowe mogą wzmacniać podłoże gruntowe oraz podbudowy nawierzchni betonowych. Wyjaśniamy, na czym polega sama technologia, jak wygląda proces wykonywania prac oraz jakie badania wstępne i kontrolne są potrzebne. Zwracamy również uwagę na kluczowe zalety tej metody - jej małą uciążliwość, wysoką skuteczność i opłacalność.
Wprowadzenie
Od kilkunastu lat w Polsce wzrasta długość sieci dróg publicznych, zwłaszcza dróg szybkiego ruchu oraz autostrad. W ostatnich 10 latach zrealizowanych zostało ponad tysiąc kilometrów dróg krajowych wybudowanych w technologii betonu cementowego. W perspektywie kolejnych kilku lat planowane są do realizacji setki kilometrów nowych nawierzchni betonowych [1]. Napięty czas procesu przygotowania i realizacji kontraktów drogowych, złożone wymagania realizacyjne, zróżnicowane warunki gruntowo-wodne w Polsce mają wpływ na jakość, dokładność i precyzję wykonania robót budowlanych. Mając na uwadze wszystkie te czynniki oraz zasadę Pareto „80/20” [2], wypada założyć, że na co piątej inwestycji drogowej z dużym prawdopodobieństwem wystąpią usterki związane z podłożem gruntowym lub niedostateczną wytrzymałością podbudowy.
Wiadomym jest, że różnego rodzaju usterki mają przełożenie na użyteczność techniczną konstrukcji, która ulega znacznemu skróceniu. Wychodząc z założenia, że nie jesteśmy w stanie wyeliminować 100 % błędów, jakie mogą pojawić się podczas realizacji inwestycji drogowych, ważna jest wiedza jak przewidywać i jak ograniczać niebezpieczeństwa.
Zbiór skutecznych metod
Pojawienie się usterek w konstrukcji drogowej rodzi szereg pytań, zarówno o przyczynę jak również możliwości i sposoby naprawy, rodzaj działań, jakie należy podjąć itp. Często pojawiają się wątpliwości, czy korzystać z metod stosowanych dotychczas, czy testować doświadczenia zagraniczne? Czy skuteczność rozwiązań stosowanych u innych zarządców okaże się taka sama w Polsce? Czy możliwe jest znalezienie krajowych ekspertów i doradców posiadających dostateczną wiedzę? Te i wiele innych pytań powinny skłaniać do systematyzowania doświadczeń oraz kolektywnego opracowania społecznie użytecznych rekomendacji technicznych [3]. Inwestorzy oraz zarządcy dróg powinni posiadać skuteczne i sprawdzone, a przy tym efektywne rozwiązania, których zastosowanie będzie istotnie wydłużało użyteczność techniczną nawierzchni drogowych oraz maksymalnie ograniczało skutki i koszty społeczne podejmowanych działań. W odniesieniu do tradycyjnych metod wzmacniania podłoża gruntowego, metoda iniekcji geopolimerowych jest nieinwazyjna. Brak konieczności rozbiórki elementów konstrukcji znacznie skraca czas naprawy. Jak pokazują doświadczenia zagraniczne iniekcje geopolimerowe stanowią skuteczną, szybką i efektywną metodę wzmacniania podbudów i podłoża gruntowego. Będzie o tym mowa w dalszej części artykułu.
Iniekcja to innymi słowy wstrzykiwanie, wtłaczanie lub wtryskiwanie cieczy lub gazów, czyli aplikowanie określonego materiału w stanie ciekłym lub gazowym do wewnątrz [4]. W technologii iniekcji wykorzystywanych w inżynierii lądowej kluczowe znaczenie ma materiał geopolimerowy, którego właściwości fizyczne, chemiczne oraz parametry wytrzymałościowe warunkują możliwość zastosowania rozwiązań efektywnych i nieinwazyjnych. W niniejszym artykule autorka używa zamiennie pojęcia materiał geopolimerowy i żywice geopolimerowe, przy czym należy pamiętać, że skład substancji geopolimerowej wykonywany jest na bazie żywic, ale w skład wchodzą również inne ściśle określone substancje.
Materiał geopolimerowy stanowią wysoko ekspansywne żywice o dobrych właściwościach rozszerzających oraz o wysokim przyroście wytrzymałości w stosunkowo krótkim czasie. Skład żywic dobierany jest zgodnie z warunkami miejsca aplikacji uwzględniając szereg czynników takich jak właściwości gruntu, rodzaj i nośność gruntu, obciążenie, szybkość procesu wiązania oraz zakładane parametry konsolidacji. Jednym z podstawowych parametrów charakteryzujących materiał geopolimerowy jest szybkość wiązania aplikowanej substancji, czyli procesu uzyskania wytrzymałości kohezyjnej, a przez to fizycznych i chemicznych właściwości złącza w wyniku reakcji chemicznej (polimeryzacji). Szybkość wiązania przejawia się uzyskaniem około 90-95% zakładanej wytrzymałości w czasie od 30 do 60 sekund, zgodnie z deklaracją producentów[5]. Charakterystyczną cechą materiałów geopolimerowych jest możliwość ich zastosowania w bardzo szerokim spektrum temperaturowym. Wykonywanie prac polegających na wzmocnieniu podłoża lub podbudowy konstrukcji można swobodnie wykonywać w przedziale temperaturowym od ok. -15 °C do ok. 60°C, co w skali Polski umożliwia prowadzenie prac praktycznie przez cały rok. Poza szybkim przyrostem wytrzymałości, żywice geopolimerowe charakteryzują się również wysokim współczynnikiem pęcznienie, który wacha się w przedziale 5-30 w zależności od zastosowania określonego składu substancji [5]. Bardzo ważną cechą, z punktu widzenia oddziaływania substancji jednakowo na całym obszarze wzmocnienia, jest zjawisko pęcznienia zarówno w pionie jak i w poziomie. Dodatkowo elastyczność materiału pozwala na łatwe dopasowanie i szczelne wypełnienie wzmacnianego podłoża. Wielokierunkowa ekspansywność geopolimeru ma również tą zaletę, że powoduje zwiększenie naprężeń poziomych w gruncie lub podbudowie, dzięki czemu uzyskujemy zwiększony parametr nośności [5]. W tabeli poniżej przedstawione zostały podstawowe właściwości wytrzymałościowe materiału geopolimerowego, przy czym należy podkreślić bardzo istotną zależność, jaka występuje pomiędzy wytrzymałością na ściskanie, a siłą ekspansji materiału.