Nawierzchnie drogowe – technika i ekologia prof. dr hab. inż

Budownictwo Drogowe
Budownictwo Przemysłowe 2008
Nawierzchnie drogowe
– technika i ekologia
Należy rozróżnić uszkodzenia nawierzchni:
• powierzchniowe,
• strukturalne.
Nawierzchnia asfaltowa może ulec następującym uszkodzeniom:
• uszkodzeniom powierzchniowym:
– polerowanie (zmniejszenie szorstkości),
– trwałe deformacje warstw asfaltowych (najczęściej
warstwy ścieralnej),
– spękania powierzchniowe,
– ubytki,
• uszkodzeniom strukturalnym:
– trwałe odkształcenie podłoża gruntowego,
– spękania zmęczeniowe,
– spękania odbite.
Uszkodzenia nawierzchni betonowej to:
• uszkodzenia powierzchniowe:
– polerowanie (zmniejszenie szorstkości),
– spękania powierzchniowe,
– delaminacja (rozwarstwienie),
– trwałe deformacje (termiczne) płyt,
– uszkodzenia krawędzi płyt (w ciętych szczelinach),
• uszkodzenia strukturalne:
– spękania (zapoczątkowane w spodzie lub na powierzchni),
– klawiszowanie.
Konieczne jest właściwe rozumienie i użycie pojęcia „trwałość nawierzchni” i w tym kontekście odróżnienie trwałości
warstwy ścieralnej od trwałości konstrukcji nawierzchni. O jej
odporności na uszkodzenia powierzchniowe decyduje materiał
warstwy ścieralnej. Natomiast trwałość konstrukcji nawierzchni
warunkowana jest jej uszkodzeniami strukturalnymi, będącymi
rezultatem oddziaływania na nią ruchu pojazdów. Powoduje to
cykliczne powstawanie naprężeń i odkształceń rozciągających
w nawierzchni, wywołujących w długim czasie eksploatacji
spękania zmęczeniowe. Liczba obciążeń przeniesionych przez
nawierzchnię określana jest terminem trwałości zmęczeniowej.
O trwałości zmęczeniowej decyduje konstrukcja nawierzchni
(grubość warstw) i jakość (parametry mechaniczne) materiałów.
Strategia utrzymania stanu nawierzchni danego typu
musi uwzględniać powierzchniowe zabiegi utrzymaniowe
wykonywane z odpowiednią częstotliwością, tak aby nie
nastąpiło nadmierne uszkodzenie nawierzchni, którego
skutkiem może być istotne zmniejszenie jej trwałości strukturalnej. Trzeba tu dodać, że nie istnieją nawierzchnie niewymagające zabiegów konserwujących.
Trwałość nawierzchni należy rozumieć w istocie jako
zbiór rozmaitych cech, które decydują o czasie eksploatacji
nawierzchni (drogi) i kosztach jej utrzymania.
Należą do nich:
• odporność na obciążenie pojazdów:
– trwałość zmęczeniowa,
– odporność na deformacje (równość poprzeczna i podłużna),
W artykule przedstawiono w skrócie warunki użytkowania dróg i czynniki niszczące nawierzchnie drogowe, materiały i technologie stosowane w budownictwie drogowym,
projektowanie konstrukcji nawierzchni, nowoczesne rozwiązania materiałowe, technologiczne i kontraktowe.
Celem artykułu jest przybliżenie czytelnikowi tematyki
budownictwa drogowego, które w ostatnich latach, wraz
z upowszechnieniem się i dostępnością samochodów,
wzbudza tak wiele emocji. Temat dróg niemal w ogóle nie
schodzi z pierwszych stron gazet i równie często poruszany
jest w telewizji oraz innych elektronicznych środkach przekazu. Budowa czy remont drogi wydają się powszechnie
rzeczą tak banalną i prostą, że aż dziw bierze, że wykonawcy i budowlańcy nie mogą sobie z tym od lat poradzić.
Aby jednak na początek dać Czytelnikowi przyczynek do
przemyśleń, przytoczę wypowiedź jednego z moich nauczycieli – prof. Matthew Witczaka (od kilkudziesięciu lat giganta amerykańskiej i światowej nauki i praktyki budownictwa
drogowego, z pochodzenia Polaka): „Nawierzchnia drogowa
w wykonaniu jest jedną z najprostszych konstrukcji inżynierskich. Nawierzchnia drogowa w analizie i projektowaniu jest
jedną z najtrudniejszych konstrukcji inżynierskich”.
Powodują to następujące, trudne do zdefiniowania elementy:
• warunki pracy nawierzchni,
• czynniki niszczące i warunki obciążenia pod działaniem
klimatu i ruchu pojazdów,
• kryteria zniszczenia konstrukcji nawierzchni.
Warunki użytkowania nawierzchni drogowej
Każda nawierzchnia drogowa pod wpływem obciążenia ruchem i działaniem czynników klimatycznych ulega
uszkodzeniom właściwym typowi nawierzchni i materiałom użytym do jej budowy.
48
B
U
D
O
W
N
I
C
T
W
O
P
R
Z
E
M
Y S
Ł
O
W
E
2
0
0
8
Budownictwo Przemysłowe 2008
• odporność na czynniki środowiskowe:
– odporność na pękanie (niskotemperaturowe, zmęczenie termiczne),
– odporność na wodę i środki odladzające.
nie drogowe, czyli do klimatu i obciążenia ruchem. Dobór ten
wynikał z doświadczenia, choć często nie przekładało się ono
na precyzyjne miary fizyczne. Dlatego w Skandynawii stosowało się, i stosuje nadal, tzw. olej drogowy, czyli bardzo miękki asfalt (poza granicą pomiarową penetracji 400 0,1 mm),
a w krajach o klimacie śródziemnomorskim – bardzo twardy
asfalt o penetracji 10–20 0,1 mm. W ostatnich kilkudziesięciu
latach upowszechniło się przekonanie o konieczności doboru
materiałów, a zwłaszcza lepiszcza asfaltowego, do warunków,
w których będą eksploatowane. Według tej zasady opracowano nową klasyfikację lepiszczy Superpave w USA.
Warunki klimatyczne klimatu kontynentalnego, który obejmuje także Polskę, są szczególnie wymagające ze względu na
dużą rozpiętość temperatury powietrza od ponad +40°C latem, do poniżej –30°C zimą. Temperatura nawierzchni może
w tych warunkach wynosić od +70°C do –30°C. Tak szeroki
zakres temperatury wymaga szczególnej uwagi w wyborze
materiałów, w tym zwłaszcza lepiszczy asfaltowych.
Obciążenie nawierzchni
spowodowane ruchem pojazdów
Projektowanie konstrukcji nowych nawierzchni drogowych i wzmacnianie istniejących ma w Polsce szczególne
znaczenie, zwłaszcza w ostatnich latach, kiedy nasze sieci
drogowe zostały włączone w układ sieci transeuropejskiej.
Konieczne stało się dostosowanie podstawowej sieci drogowej do standardów obciążenia w Unii Europejskiej w ruchu
transgranicznym, w którym dopuszczalne obciążenie osi
pojazdu wynosi 11,5 tony (dotychczasowe dopuszczalne
obciążenie osi w Polsce wynosiło 10,0 ton).
Zmiana obciążenia koła (osi) powoduje, że zmienia się
także stopień oddziaływania na nawierzchnię, głównie ze
względu na zmęczenie konstrukcji nawierzchni – większe
obciążenie powoduje większe naprężenie i odkształcenie
rozciągające w spodzie nawierzchni, zarówno asfaltowej,
jak i betonowej (wzrost obciążenia osi pojazdu jest nawet
bardziej szkodliwy dla nawierzchni betonowej niż asfaltowej [1]). Obciążenie ruchem pojazdów wyraża się w osiach
obliczeniowych (ESAL), na które przelicza się pojazdy rzeczywiste. Wpływ zwiększenia obciążenia na zniszczenie
zmęczeniowe materiału nawierzchni wyraża się wzorem:
Wymagania
Wymagania stawiane nawierzchniom uwzględniają obecnie zarówno aspekty techniczne, jak i środowiskowe (ekologiczne).
Są to zatem:
• cechy mechaniczne:
– odporność na deformacje,
– odporność na pękanie,
– nośność,
• komfort i bezpieczeństwo użytkownika:
– równość,
– szorstkość,
• wpływ na otoczenie:
– hałaśliwość.
Od nawierzchni drogowej wymaga się w ostatnich latach
coraz częściej spełnienia wymagań ekologicznych:
• w czasie budowy: nawierzchnia powinna być wybudowana z materiałów i w sposób nie zagrażający środowisku,
• w czasie użytkowania: nawierzchnia powinna przyczyniać się do zmniejszenia uciążliwości transportu samochodowego dla użytkownika drogi i otaczającego środowiska,
• po wyeksploatowaniu: materiały użyte do jej budowy powinny być przetworzone i powtórnie użyte – nie mogą
stać się uciążliwymi dla środowiska odpadami.
Konieczność spełnienia tych różnorodnych, a często
i przeciwstawnych wymagań (odporność na deformacje
– odporność na pękanie niskotemperaturowe), spowodowało, że upowszechniło się pojęcie funkcjonalnego podziału
warstw nawierzchni i przekonanie o konieczności stosowania różnych lepiszczy oraz mieszanek do poszczególnych
warstw nawierzchni.
Ni / Nj = (Pi / Pj)γ
gdzie:
Ni, Nj – trwałość zmęczeniowa, liczba obciążeń do zniszczenia,
Pi, Pj – obciążenie osi,
γ – wykładnik potęgi, wyrażający równoważność obciążenia osi.
Zwiększenia obciążenia nieuchronnie staje się przyczyną
większych uszkodzeń nawierzchni [2, 3]. Koszty dodatkowego uszkodzenia są znaczne, a przy tym rosną wraz z obniżaniem się jakości drogi:
• pojazd o obciążeniu osi pojedynczej 11,5 tony na drodze
o dopuszczalnym obciążeniu 10,0 t/oś (większość dróg krajowych) wywołuje dodatkową szkodę wartą 1,33 zł/km,
• ten sam pojazd na drodze wojewódzkiej o dopuszczalnym
obciążeniu 8,0 kN/oś wywołuje szkodę do 12 zł/km,
• na drodze powiatowej lub gminnej strata dodatkowa wyniesie już do 40 zł/km.
Warunki klimatyczne
Nawierzchnia drogowa, obok obciążenia ruchem pojazdów, poddana jest działaniu czynników środowiskowych,
do których można zaliczyć: wodę, gołoledź, kwaśne deszcze
i temperaturę. Rozpiętość temperatury, w której eksploatowana jest nawierzchnia, ma szczególne znaczenie, zwłaszcza w wypadku nawierzchni asfaltowych, które wykonane
są z mieszanek mineralno-asfaltowych, będących materiałami termoplastycznymi, czyli zmieniającymi swe właściwości w zależności od temperatury. W wysokiej temperaturze nawierzchnie te narażone są na powstawanie deformacji
trwałych, a w niskiej na pękanie.
Od dziesiątków lat drogowcy dobierali materiały budowlane
do warunków, w jakich miały być eksploatowane nawierzchB
U
D
O
W
N
I
C
T
W
O
P
Budownictwo Drogowe
Projektowanie
konstrukcji nawierzchni
Nawierzchnia drogowa jest układem warstw, które mogą
być wykonane z różnych materiałów. Zadaniem nawierzchni drogowej jest przeniesienie obciążeń pod obciążeniem
pojazdów na podłoże gruntowe. Podłoże gruntowe i nawierzchnia powinny być tak zaprojektowane i przygotowane, aby przeniosły obciążenie w założonym czasie
eksploatacji, w panujących warunkach klimatycznych, prognozowanym ruch pojazdów, bez nadmiernych uszkodzeń
R
Z
E
M
Y S
Ł
O
W
E
2
0
0
8
49