Whitetopping a ultratenký whitetopping v ČR

Technologie whitetopping (WT) pro opravy vozovek byla vyvinuta v USA před cca 30 lety a používá se již řadu let i v západní Evropě. Od roku 2018 je SFDI a ŘSD vyvíjena intenzivní aktivita na podporu realizace pilotních projektů oprav vozovek touto technologií.

Oprava spočívá v překrytí původní vozovky novou tenkou vrstvou cementobetonového (CB) krytu, která je s podkladem buďto spojena, nebo je spojení záměrně zabráněno. Hlavním cílem je využít z velké části původní konstrukci vozovky, tedy její rezi­duální únosnosti. V případě spojení původní a nové vrstvy vozovky se navíc do určité míry využívá kompozitního chování obou vrstev. Oprava technologií WT má zajistit navíc i zlepšení vlastností krytu vozovky, tj. únosnosti, odolnosti proti trvalým deformacím a protismykových vlastností. Tím dochází k úspoře nákladů a času na realizaci a prodloužení životnosti stávající konstrukce vozovky ve srovnání s jinými technologiemi. Oprava technologií WT může být ve většině případů časově i ekonomicky vhodnější než kompletní rekonstrukce vozovky a může zajistit další fungování vozovky bez opakování vzniku trvalých deformací než např. oprava asfaltové vozovky obnovou krytových vrstev nebo kompletní rekonstrukcí na CB vozovku. V neposlední řadě má tak tato technologie pozitivní vliv na redukci uhlíkové stopy a úsporu nákladů.

Opravy vozovek metodou WT se dělí na dvě základní skupiny – vrstva WT spojená a nespojená s podkladem – a mohou být realizovány jak u vozovek asfaltových, tak i betonových a kompozitních).

Pro pilotní realizace v České republice byly vybrány dvě dálniční odpočívky, resp. plochy pro parkování těžkých nákladních vozidel, kde se využijí výhody tuhé CB vrstvy na povrchu pro zabránění trvalých deformací od stojících těžkých nákladních vozidel. Pro oba projekty byla zvolena varianta whitetoppingu spojeného se stávající asfaltovou vozovkou. Spojení s podkladní vrstvou bylo navrženo z důvodu eliminace rizika pohybu betonových desek způsobeného brzdnými a odstředivými silami od vozidel.

Obě odpočívky mají pro kamiony vyhrazena typická šikmá stání, mezi nimiž jsou pojezdové komunikace. Obě plochy byly navrženy v technologii WT, příjezdové komunikace k odpočívce byly provedeny z asfaltu.

Únosnost vozovky ověřená metodou rázových zatěžovacích zkoušek vykazovala u obou odpočívek vyhovující parametry. Stav povrchu vozovky byl ovšem v místech odstavných stání pro kamiony hodnocen jako havarijní. Poruchy se vyskytovaly především v krytové vrstvě, jednalo se zejména o výtluky, deformace a trhliny, vysprávky a nepravidelné hrboly.

Dálniční odpočívka Rajhrad na dálnici D52

První pilotní stavba byla realizována v roce 2020 technologií WT spojeného s asfaltovým podkladem, rozsah a uspořádání parkovacích stání je znázorněn na následujícím obr. Oprava spočívala v odfrézování stávající asfaltové vozovky v tloušťce 140 mm a jejím nahrazení vrstvou WT tloušťky 140 až 150 mm v celkové ploše 3 603 m², zbytková tloušťka asfaltové vrstvy byla minimálně 80 mm.

Dálniční odpočívka Ladná na dálnici D2

Druhý pilotní projekt byl realizován v roce 2021 opět technologií WT spojeného s asfaltovým podkladem. Odfrézováno bylo 140 mm asfaltové vozovky, na kterou byl proveden WT tloušťky 160, resp. 180 mm v celkové ploše 2 010 m². Rozsah a uspořádání parkovacích stání je znázorněn na následujícím obr.

Posouzení, výpočetní model

Posouzení návrhu whitetoppingu dle národního předpisu TP170 nebylo možné použít, jelikož výpočet nepočítá se spojením cementobetonových a asfaltových vrstev. Posouzení návrhu tloušťky WT bylo provedeno dle metodiky MEYERHOF, tedy výpočtem modulu reakce podloží. Výsledkem posouzení je výpočet maximálního ohybového momentu od kombinace maximálního návrhového zatížení nápravou vozidla, smrštění a vlivu teploty pro daný rozměr desky.

Zkušební úsek

K ověření navržené receptury betonu pro WT byl nejprve ve vlastní provozovně společnosti Skanska proveden zkušební úsek na staré asfaltové vozovce, která byla odfrézována silniční frézou. Primárně šlo o ověření základních parametrů betonové směsi (pevnost, smrštění, odolnost proti CHRL), která byla navržena ze směsného cementu za účelem zpomalení hydratace a omezení rizika vzniku trhlin v raném stadiu hydratace. Dále bylo na jádrových vývrtech zkoušeno spojení mezi vrstvou CB a původní  asfaltovou vozovkou. Realizovány byly čtyři va­ria­n­ty pro stanovení optimálního ošetření povrchu asfaltové vrstvy pro zajištění dobrého spojení s CB krytem:

Na vývrtech průměru 100 a 150 mm byly provedeny zkoušky pevnosti ve smyku podle ČSN 73 6160 s výslednými hodnotami 16 až 35 kN u průměru 150 mm, tedy s poměrně velkým rozptylem. Nicméně i tak bylo zjištěno, že vliv aplikovaného spojovacího můstku nebyl podstatný. Nejhorších hodnot bylo dosaženo u povrchu navlhčeného vodou, což bylo následně promítnuto do postupu realizace vlastního pilotního projektu.

Na výsledcích zkoušek provedených na vzorcích ze stavby se však ukázalo, že způsob zkoušení spojení podle ČSN 73 6160 není úplně vhodný, protože k plnému spojení mezi cementobetonovou a asfaltovou vrstvou nedochází, jedná se pouze o mechanické „zaklínění“ díky makrotextuře vytvořené při frézování asfaltové vrstvy. Povrch asfaltu je navíc hydrofobní, takže k chemickému spojení betonu s asfaltem prostřednictvím hydratace cementu ani dojít nemůže. Zkoušku spojení vrstvy WT a asfaltu bude nutné v budoucnu lépe definovat, aby postihla princip skutečného chování souvrství u technologie WT.

Frézování a příprava podkladu

Frézování má zajistit dostatečnou makrotexturu asfaltového povrchu, aby mohlo dojít k maximálnímu mechanickému spojení s CB vrstvou, proto byly na zkušebních úsecích provedeny dva pojezdy silniční frézou.

Po odfrézování asfaltových vrstev na odpočívce Rajhrad byl povrch kompaktní, měřením byla potvrzena vyhovující únosnost konstrukce. Veškeré trhliny byly uzavřené a pasivní, nebylo je tedy nutné sanovat. Pro omezení jejích kopírování do povrchu WT byly přemostěny ocelovou výztužnou kari sítí 100/100/10 mm osazenou při spodním povrchu vrstvy WT.

U odpočívky Ladná byla situace zcela odlišná. Povrch byl sice kompaktní, avšak zjištěné poruchy zejména ve formě aktivních příčných i podélných trhlin a síťových trhlin indikovaly problémy s podložím vozovky, což bylo potvrzeno i měřením únosnosti. Bylo tedy nutné přistoupit k návrhu sanací těchto poruch. Naštěstí však byly naměřeny větší tloušťky zbytkových asfaltových vrstev v rozsahu 120 až 260 mm. Po přepočtu podle výše uvedeného modelu bylo rozhodnuto o zesílení navržených tlouštěk WT o 20 mm, použití betonu
s rozptýlenou výztuží a zmenšení vzdáleností spár WT. V místech nad aktivními trhlinami a pracovními spárami byly desky WT zesíleny výztužnou ocelovou sítí 100/100/8 mm, přičemž aktivní trhliny byly proříznuty a zality pružnou zálivkou a pro zabránění kopírování reflexních trhlin byla separace zajištěna vložením pruhu asfaltového pásu šířky 200 mm.

Beton pro whitetopping

Složení betonové směsi bylo provedeno pro CB kryt třídy CB I se zahrnutím specifických požadavků pro WT:

Pro odpočívku Ladná byla navíc použita rozptýlená výztuž. Na základě testování různých typů vláken byla použita skelná vlákna délky 36 mm s modulem pružnosti 72 GPa.

Na odpočívce Ladná byl v té době dostupný pouze cement s jemnějším mletím (větší měrný povrch podle Blaina), tedy cement s rychlejším nárůstem pevnosti, což se při realizaci negativně projevilo vznikem smršťovacích trhlin na povrchu na několika deskách WT. To potvrzuje, že v rámci specifikace betonové směsi pro WT je potřeba omezit jemnost mletí cementu na hodnoty kolem 300 m²/​​kg.

Pokládka vrstvy whitetoppingu

Spojovací můstek byl použit jen v omezené ploše, a to pouze pro sledování rozdílů v chování. V okolí kanalizačních šachet a vpustí byly desky vyztuženy šikmými ocelovými výztužnými pruty v rozích. Na důkladně očištěný povrch byla menším typem finišeru Bidwell 5000 položena vrstva WT v šikmých pruzích podle uspořádání stání vozidel. Pokládka byla prováděna nejprve v lichých pruzích šířky cca 10 m do podélného ocelového bednění a poté v sudých pruzích mezi již hotové konstrukce. Povrch betonu byl ošetřen kartáčováním pro zajištění dobrých protismykových vlastností a na závěr byl opatřen nástřikem proti odparu.

K řezání spár do hloubky 1/2 tloušťky desky bylo přistoupeno přibližně po 20 h od pokládky. Spáry nebyly vyztužovány kluznými trny. Následně byly spáry v horní části rozšířeny do tvaru komůrky a vyplněny pružnou zálivkou za studena. 

Uspořádání spár u šikmých stání znamená vytvoření atypických tvarů desek, tzv. biskupských čepic, na styku s kolmo uspořádanými pojezdovými komunikacemi, aby nevznikaly ostré rohy. U některých koncových detailů se však nebylo možné nestandardním tvarům desek vyhnout, ty byly však vyztuženy ocelovou sítí.

Součástí obou staveb bylo zřízení měřicího a sledovacího zařízení pro monitoring během realizace stavby a tří let po realizaci. Zařízení je osazeno ve vybrané desce WT na třech místech (2× na okraji, 1× uprostřed) a vždy ve čtyřech úrovních (2× ve WT, 2× v asfaltové vrstvě).

Sledovány jsou parametry, které slouží k ověření chování konstrukce v průběhu výstavby a za provozu, hodnoty jsou odečítány v intervalu 10 min:

Do současné doby (leden 2023) ukázal monitoring dobré chování vrstvy WT s tím, že naměřené deformace a z nich vypočtená napětí nepřekračují dovolené namáhání. Měření křivostí potvrzuje, že k plnému spřažení vrstvy WT s asfaltovou vrstvou nikdy nedošlo. Měření separace potvrdilo, že dochází k postupnému rozevírání vodorovné spáry a po šestnácti měsících se hodnota ustálila na cca 0,25 až 0,30 mm. Makrotextura vytvořená frézou na asfaltové vrstvě zajišťuje mechanické „zaklínění“ obou vrstev a brání tak vzájemnému posunu, obě vrstvy však nefungují jako spřažený heterogenní průřez pro ohyb.

Kromě uvedených měření se ještě jednou ročně provádí celoplošná kontrola spojení vrstvy WT s podkladem metodou impact echo.

Na základě výsledků monitoringu, který stále probíhá, pak budou zhodnoceny a případně upraveny projektové předpoklady a kalibrovány výpočtové modely. Závěry mohou také posloužit jako podklad pro vypracování samostatného předpisu pro opravy vozovek technologií WT.

V rámci projektu Oprava nádvoří Ústavu hematologie a krevní transfúze v Praze (ÚHKT) realizovala společnost Skanska v srpnu 2022 ultratenký whitetopping (UTWT), kdy je tloušťka betonové krycí vrstvy menší než 100 mm. Podle rešerší se jedná o první UTWT v České republice. Podkladem byl 22 let starý beton s povrchem, který byl degradován vlivem zmrazovacích cyklů. Nová deska má tloušťku 60 mm s řezanými spárami ve vzdálenostech 800 až 900 mm a je spojena s podkladem.

Ve fázi přípravy byla navržena a ověřena receptura betonu s důrazem na dobrou odolnost vůči CHRL a pevnost v tahu. Výsledný beton C50/60 — XF4 — D_max 8 mm obsahoval CEM II/A‑M (S‑LL) 42,5 R, dvě frakce kameniva, nanofiler, superplastifikační přísadu, provzdušňovací přísadu a rozptýlenou výztuž. Protože autodomíchávač nemohl vjet do areá­lu, bylo nutné zřídit překladové místo betonu a receptura betonu musela být navržena na prodlouženou dobu zpracovatelnosti 180 min.

Projekt byl realizován jako sponzorský dar, a proto byly minimalizovány náklady na diagnostiku podkladních vrstev. Vzhledem k absenci poruch se předpokládalo, že podkladní vrstvy byly dohutněny provozem. Povrch stávajícího betonu byl nejprve očištěn od volných nečistot, těsně před pokládkou byl vysokotlakým čističem navlhčen (bez louží) a poté na něj byla uložena vrstva UTWT. Záměrem bylo realizovat UTWT spojený s podkladním betonem, avšak na základě poznatků z realizace a monitoringu předchozích pilotních projektů nebylo bazírováno na spojení dokonalém. Bylo v zásadě využito hrubé makrostruktury podkladního betonu, který zajišťoval budoucí horizontální stabilitu finální vrstvy.

Beton byl ukládán do bednění, které tvořily ocelové úhelníky, popř. stávající obrubníky. Po zhutnění betonu vibračním hladítkem byl povrch urovnán plastovým hladítkem. Poté byla pomocí měkkého koštěte vytvořena striáž. Pro zajištění správné hydratace byl povrch opatřen parotěsným nástřikem ve zvýšeném dávkování.

Další technologickou komplikací byl zákaz řezání spár v době nočního klidu mezi 22. a 6. h. Z toho důvodu bylo složení betonu nastaveno tak, aby za dané teploty bylo možné spáry nařezat hned po betonáži tentýž den, přičemž poslední pokládka musela proběhnout před 13. h. Příčné spáry byly řezány ruční řezačkou, dlouhé podélné spáry byly řezány pro lepší dosažení pohledové linky řezačkou s pojezdem.

Tenké spáry byly zatěsněny jednosložkovým polyuretanovým tmelem pro dosažení delší životnosti. Pohled na finální plochu zhotovenou technologií UTWT je na následujícím obr. 

Realizace pilotních projektů oprav  parkovacích stání dálničních odpočívek metodou WT na asfaltový podklad jsou prvními opravami realizovanými touto metodou na území ČR. Jako klíčová se ukázala důkladná diagnostika stávající vozovky před vlastním návrhem a následná kontrola a odstranění poruch zjištěných po odfrézování vozovky. Díky monitoringu bylo ověřeno chování celého souvrství a změřena separace vrstev, které ohybově prakticky nespolupůsobí.

Technologie WT na asfaltovém podkladě může být efektivní metodou opravy stávajících zatížených vozovek, které jsou v dobrém stavu z hlediska únosnosti vozovkového souvrství a u kterých je žádoucí odstranit dlouhodobě opakovaný vznik povrchových poruch způsobených pomalu se pohybující dopravou, tj. trvalé deformace, příp. rozpad povrchu krytu vozovky.

Technologie whitetopping je také šetrnější k životnímu prostředí a je i ekonomičtějším řešením díky tomu, že se ponechává maximum materiálů z původní vozovky a využívá se jejich reziduální únosnosti. Tím se omezuje spotřeba nových materiálů a jejich doprava. U uvedených projektů činí předpokládané snížení stopy CO₂ oproti kompletní výměně vozovkového souvrství za CB kryt cca 40 %. Nákladová úspora se pohybuje na stejné úrovni, tedy opět 40 %.

Technologie ultratenký whitetop­ping může být velmi efektivní technologií oprav betonových ploch a vozovek. Pilotní realizace proběhla v srpnu 2022, přičemž plocha bude v dalším období sledována. Finální vyhodnocení úspěšnosti této technologie bude provedeno cca po jednom roce provozu.