Analiza stref klimatycznych w Polsce z uwzgl dnieniem klasyfikacji funkcjonalnej asfaltów drogowych

Transkrypt

1 Analiza stref klimatycznych w Polsce z uwzgl dnieniem klasyfikacji funkcjonalnej asfaltów drogowych dr inż. Marek Pszczoła, dr inż. Dawid Ry, dr inż. Piotr Jaskuła, dr inż. Mariusz Jaczewski Zespół Budowy Dróg, Katedra Inżynierii Drogowej i Transportowej Politechnika Gda ska Projekt realizowany w ramach wspólnego przedsi wzi cia RID, finansowany ze rodków Narodowego Centrum Bada i Rozwoju oraz Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad: Asfalty drogowe i modyfikowane w polskich warunkach klimatycznych

2 PLAN PREZENTACJI Opis problemu Rodzaj funkcjonalny PG asfaltów Metodyka opracowania stref klimatycznych w Polsce Przykład doboru rodzaju asfaltu do warstwy cieralnej Ocena prawdopodobie stwa powstania sp ka niskotemperaturowych Podsumowanie i wnioski 2

3 OPIS PROBLEMU Obecnie: projektowanie mieszanek mineralnoasfaltowych i dobór asfaltów bez uwzgl dnienia strefy klimatycznej Potrzeba opracowania stref klimatycznych w Polsce z uwzgl dnieniem cech funkcjonalnych asfaltów 3

4 PRÓBY UWZGL DNIENIA STREF KLIMATYCZNYCH W POLSCE WT : Beton asfaltowy o wysokim module sztywno ci (AC WMS) 4

5 PERFORMANCE GRADE (PG) RODZAJ FUNKCJONALNY ASFALTU wg. Superpave (SP-1), 1995 Rodzaj funkcjonalny (Performance Grade) PG X -Y Najwyższa średnia 7dniowa maksymalna temperatura nawierzchni w roku Minimalna temperatura nawierzchni w roku Kryterium, badanie w BBR (po RTFOT + PAV): Badanie w DSR: 1 KPa (bez starzenia) * G /sinδ 2,2 KPa (po RTFOT) S MPa m60 0,3 G*/sinδ Temperatura pośrednia, wynika z X i Y Badanie w DSR (po RTFOT + PAV): G*sinδ 5000 kpa

6 PROCEDURA - ZAKRESY PG PG X-Y wg. AASHTO M PG X PG -Y PG 46-34, -40, -46 PG 52-10, -16, -22, -28, -34, -40, -46 PG 58-16, -22, -28, -34, -40 PG 64-10, -16, -22, -28, -34, -40 PG 70-10, -16, -22, -28, -34, -40 PG 76-10, -16, -22, -28, -34 PG 82-10, -16, -22, -28, -34 Dodatkowe oznaczenia wynikające z obciążenia ruchem (od 2014): S, H, V, E, np. PG E oznacza duży ruch ciężki oraz postój 6

7 DO WIADCZENIA POLSKIE wg Prof. Sybilskiego, z zespołem, 2000 r. P=98% dla warstwy ścieralnej: PG PG Analiza w oparciu o dane ze stacji meteo z okresu 5 lat (od 1994 do 1998). 9

8 DO WIADCZENIA AMERYKA SKIE - PRZYKŁAD STANU WIRGINIA wg Prowell, 1999 r. 10

9 DO WIADCZENIA AMERYKA SKIE - PRZYKŁAD STANU CALIFORNIA Klimat - bardzo zróżnicowany 11

10 DO WIADCZENIA EUROPEJSKIE Niemcy Austria Szwajcaria Francja brak prac nad strefami klimatycznymi Inne kraje (poza Estonią i Białorusią) brak danych lub prace nie zostały opublikowane 12

11 DO WIADCZENIA ESTO SKIE wg Sven Sillamae, 2015 wg Bahia,

12 PG - INNE KRAJE Białoru PG Klimat umiarkowany, wpływy kontynentalne 98%, ścieralna PG PG wg Leonowicz,

13 ANALIZA DANYCH TEMPERATURY POWIETRZA Dane w latach , 30 lat Temperatura powietrza na wysoko ci 2 m od powierzchni terenu Odrzucono stacje z okresem pomiaru krótszym od 20 lat i położone na szczytach górskich Ostatecznie przyj to 61 stacji meteo IMGW 15

14 MINIMALNE TEMPERATURY POWIETRZA 1 ROK Temperatura powietrza [ C] Przykład rocznej minimalnej temperatury powietrza rok 1987, Białystok, Tmin= -34,6 C, r Tmin= -34,6 C Data i godzina 17

15 MAKSYMALNE TEMPERATURY POWIETRZA 1 ROK Przykład rocznej najwyższej redniej 7-dniowej maksymalnej temperatury powietrza rok 1987, Białystok Temperatura powietrza [ C] 30 Tmax= +24,3 C Data i godzina 18

16 OBLICZENIA TEMPERATURY NAWIERZCHNI Przyjęto grubo ci warstw asfaltowych według KTKNPiP 2014 Minimalna temperatura warstwy - na powierzchni każdej analizowanej warstwy asfaltowej rednia 7-dniowa maksymalna temperatura warstwy na gł boko ci 20 mm od powierzchni każdej analizowanej warstwy KR1 - KR2 KR3 - KR4 20 mm h1= 4 cm 20 mm h2= 8 cm KR5 - KR6 - KR7 20 mm h1= 4 cm 20 mm h1= 4 cm 20 mm h2= 6 cm 20 mm h2= 8 cm 20 mm h3= 10 cm 20 mm h3= 16 cm Kolorem zielonym zaznaczono kategorię ruchu przyjętą do obliczeń 19

17 UWZGL DNIENIE PRAWDOPODOBIE STWA Wg. metody Superpave prawdopodobie stwo - ocena ryzyka wystąpienia temperatury, która może przekroczyć warto ć projektowaną (minimalną lub rednią 7-dniową maksymalną). Przykładowo: P=98% - 2% prawdopodobie stwa wystąpienia temperatur wyższych lub niższych niż podano (szansa 1 na 50 lat) P=50% - 50% prawdopodobie stwa wystąpienia temperatur wyższych lub niższych niż podano (szansa 1 na 2 lata) Zalecane w Superpave poziomy prawdopodobie stwa to 50% i 98%. Decyduje Zarządca Drogi powinien uwzgl dniać klasyfikacj drogi i możliwo ci finansowe. Dopuszcza si poziomy po rednie pomi dzy 50 i 100%. 20

18 STREFY KLIMATYCZNE W POLSCE ZALEZNO CI OD PG Drogi klasy A i S P=98% warstwa cieralna PG PG PG PG PG PG PG PG PG PG PG PG PG PG PG

19 STREFY KLIMATYCZNE W POLSCE ZALEZNO CI OD PG Drogi krajowe P=80% warstwa cieralna PG PG PG PG PG PG PG PG PG PG

20 STREFY KLIMATYCZNE W POLSCE ZALEZNO CI OD PG Pozostałe drogi P=50% warstwa cieralna PG PG PG PG PG PG PG PG PG PG PG

21 PRZYKŁAD DOBORU RODZAJU ASFALTU DO WARSTWY CIERALNEJ Zestawienie PG asfaltów do warstwy cieralnej, wg Superpave (1995), badania Politechniki Gda skiej: Rodzaj asfaltu (producent) Wysokie temperatury, badanie w DSR Temperatura pośrednia, badanie w DSR Niskie temperatury, badanie w BBR G*/sinδ 1 kpa G*/sinδ 2,2 kpa (bez starzenia) (po RTFOT) G*sinδ 5000 kpa (po RTFOT + PAV) S MPa m60 0,300 (po RTFOT + PAV) (po RTFOT + PAV) Rodzaj funkcjonalny asfaltu PG 70/100 (2) /70 (2) /80-55 (1) /80-55 (2) /80-80 (1) Górne PG mocno ponad wymaganie wynikające z klimatu sztuczne zwi kszenie ze wzgl du na obciążenie ruchem 25

22 PRZYKŁAD DOBORU RODZAJU ASFALTU DO WARSTWY CIERALNEJ Zestawienie PG asfaltów do warstwy cieralnej wg rozszerzonej klasyfikacji AASHTO M (2014), badania Politechniki Gda skiej: Rodzaj asfaltu (producent) Wysokie temperatury, badanie w DSR G*/sinδ 1 kpa G*/sinδ 2,2 kpa (bez starzenia) (po RTFOT) Badanie MSCR w 58⁰C S: Jnr 4,5 kpa-1 H: Jnr 2,0 kpa-1 V: Jnr 1,0 kpa-1 E: Jnr 0,5 kpa-1 S,H,V,E: Jdif 75% Klasa obciążenia ruchem Rodzaj funkcjonalny asfaltu PG 70/100 (2) ,52 8,7% H 58H-22 50/70 (2) ,57 6,7% V 58V-22 45/80-55 (1) ,26 38% E 58E-22 45/80-55 (2) ,11 41% E 58E-22 45/80-80 (1) ,04 75% E 58E-22 S - odpowiada obciążeniu ruchem ok KR1-KR2 i redniej prędko ci pojazdów > 70 km/h H - odpowiada obciążeniu ruchem ok KR3 lub redniej prędko ci pojazdów między 20 km/h a 70 km/h V - odpowiada obciążeniu ruchem KR4-KR7 i redniej prędko ci pojazdów > 20 km/h E - odpowiada obciążeniu ruchem KR4-KR7 i powolnemu ruchowi pojazdów < 20 km/h 26

23 WYMAGANIA KLIMATU, A WŁA CIWO CI FUNKCJONALNE POLSKICH ASFALTÓW Polskie asfalty spełniają wymagania SHRP w zakresie wysokich temperatur Brakuje asfaltów spełniających dolne kryterium PG -28 oraz PG -34 Czy i w jakim stopniu oznacza to zwi kszenie prawdopodobie stwa wystąpienia sp ka niskotemperaturowych na polskich drogach? 27

24 WPŁYW TEMPERATURY NAWIERZCHNI NA SP KANIA NISKOTEMPERATUROWE Temperatura minimalna nawierzchni: - im niższa tym wi ksze napr żenia termiczne Pr dko ć ochładzania si nawierzchni: - im wi ksza tym wi ksze napr żenia termiczne Okres utrzymywania si niskiej temperatury: - twardnienie fizyczne mieszanek, - im dłuższy tym wi ksze ryzyko powstania sp ka niskotemperaturowych 28

25 PRAWDOPODOBIE STWO POWSTANIA SP KA NISKOTEMPERATUROWYCH Metoda w oparciu o niepublikowaną prac prof. Judyckiego Najniekorzystniejszy przypadek, gdy moduły sztywno ci mogą być wyższe od rednich warto ci, natomiast wytrzymało ć na rozciąganie b dzie w dolnej warto ci zakresu Prawdopodobie stwo wystąpienia sp kania jest cz cią wspólną rozkładów normalnych przy których zachodzi zależno ć, że > R Probability Stress / strength P(CRACK) 29

26 PRAWDOPODOBIE STWO POWSTANIA SP KA NISKOTEMPERATUROWYCH Problemem w badaniach laboratoryjnych w porównaniu z terenem jest duża jednorodno ć uzyskiwanych wyników bada Złe warunki atmosferyczne i inne problemy wpływają na odpowiednie wbudowanie i zag szczenie warstw asfaltowych Założono dwa poziomy zmienno ci wyników: +/- 10% dla wysokiej jako ci wykonywanych robót asfaltowych +/- 20% dla typowej jako ci wykonywanych robót asfaltowych 30

27 PRAWDOPODOBIE STWO POWSTANIA SP KA NISKOTEMPERATUROWYCH Przykład: napr żenia termiczne obliczone lub z bada TSRST oraz wytrzymało ć na rozciąganie z bada laboratoryjnych wraz z poziomami zmienno ci wyników 31

28 PRAWDOPODOBIE STWO POWSTANIA SP KA NISKOTEMPERATUROWYCH Poziom zmienno ci wyników +/- 10%: Poziom zmienno ci wyników +/- 20%: 32

29 PODSUMOWANIE (1) Opracowano strefy klimatyczne w Polsce w zależno ci od rodzaju funkcjonalnego PG asfaltów w poszczególnych warstwach Opracowano PG dla różnego poziomu prawdopodobie stwa: 50%, 80%, 90%, 95%, 98% Wybór poziomu prawdopodobie stwa decyzja techniczna i ekonomiczna Przyj cie wi kszego P wi ksze wymagania wobec asfaltów, ale mniejsze ryzyko powstania sp ka niskotemperaturowych i deformacji trwałych (kolein) 33

30 PODSUMOWANIE (2) Polskie asfalty wykazują bardzo dobre wła ciwo ci w wysokich temperaturach Problemem jest mniejsza odporno ć asfaltów na działanie niskich temperatur Opracowano i zastosowano metod oceny prawdopodobie stwa powstania sp ka niskotemperaturowych Metoda pozwala oszacować, jak rodzaj asfaltu oraz wi ksza niejednorodno ć wyników bada z nawierzchni wpływają na procent odcinków, na których mogą wystąpić sp kania niskotemperaturowe 34

31 DZI KUJ ZA UWAG! 35