Bezpieczeństwo użytkowania wodoprzepuszczalnych cienkich nawierzchni mineralno-żywicznych

Transkrypt

1 DUSZYŃSKI Andrzej 1 JASIŃSKI Wiktor 2 Bezpieczeństwo użytkowania wodoprzepuszczalnych cienkich nawierzchni mineralno-żywicznych WSTĘP Stosowane powszechnie bardzo cienkie pokrycia, warstwy izolacyjno-nawierzchniowe nawierzchni asfaltowych i cementowych stanowią jeden z możliwych aspektów wykorzystania materiałów na bazie żywic w budownictwie drogowym i mostowym. Inny rodzaj nawierzchni to nawierzchnie mineralno-żywiczne (nazywane dalej nawierzchniami żywicznymi), które są przepuszczalne dla wody. Podstawowym warunkiem bezpieczeństwa użytkowania nawierzchni jest trwałość, rozumiana jako odporność na poślizg oraz utrzymanie tych właściwości w jak najdłuższym czasie eksploatacji nawierzchni. Badanie właściwości użytkowych związanych z bezpieczeństwem użytkowania w przypadku nawierzchni żywicznych nie jest jednoznaczne pod względem proceduralnym. W tym artykule przedstawiono badania odporności na poślizg PTV z uwzględnieniem polerowalności kruszywa PSV oraz głębokości tekstury MPD nawierzchni żywicznych jako podstawowych charakterystyk bezpieczeństwa użytkowania. 1 NAWIERZCHNIE ŻYWICZNE Należy odróżnić nawierzchnię żywiczną od powierzchniowego pokrycia żywicznego. Powierzchniowe pokrycie żywiczne jest nieprzepuszczalne dla wody i wymaga nieporowatego podłoża. Nawierzchnia żywiczna to warstwa ścieralna z mieszanki kruszywa jednofrakcyjnego lub grysowego związanego żywicą w konstrukcji nawierzchni drogowej zazwyczaj o grubości od 15 do 35 mm, która posiada otwarte i połączone przestrzenie i w związku z tym jest powierzchnią przepuszczalną. Konstrukcja drogowej nawierzchni żywicznej składa się z: nawierzchni żywicznej stanowiącej warstwę ścieralną wykonaną z mieszanki mineralno- żywicznej z jednofrakcyjnego kruszywa naturalnego lub łamanego do 8 mm związanego dwuskładnikową żywicą epoksydową, warstwy (wyrównawczej) z asfaltowego betonu porowatego lub bez tej warstwy, podbudowy: niezwiązanej, przepuszczalnej z kruszywa łamanego frakcji do 31,5 mm bez frakcji drobnych z warstwą odprowadzającą wodę; zazwyczaj z piasku, lub związanej, nieprzepuszczalnej z odprowadzeniem wody z nawierzchni do bocznego odwodnienia nawierzchni składającego się z grubego żwiru w geowłókninie. Nawierzchnia żywiczna położona na podbudowie z asfaltowego betonu porowatego może być ograniczona do grubości od 15 mm do 20 mm. W Polsce nawierzchnie żywiczne do stosowania w budownictwie komunikacyjnym podlegają procesowi aprobacyjnemu w Instytucie Badawczym Dróg i Mostów. Ocena przydatności tych nawierzchni odnosi się od ciągów pieszo-jezdnych do nawierzchni drogowych o określonym ruchu pojazdów samochodowych. Powierzchnia nawierzchni żywicznej jest gładka, bez żadnych luźnych kamieni, jest idealna dla wózków inwalidzkich i na tyle twarda, aby wytrzymać mycie ciśnieniowe. Obecnie jedyną nawierzchnią żywiczną posiadającą Aprobatę Techniczną IBDIM jest Nawierzchnia typu (GWN) TerraWay ERBIS (Aprobata Techniczna IBDiM AT/ ). 1 Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Filia Wrocław, Żmigród, Tel do 82, Fax , a_duszyn@wp.pl 2 Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Filia Wrocław, Żmigród, Tel do 82, Fax , wjasinski@ibdim.edu.pl 3330

2 2 BEZPIECZEŃSTWO UŻYTKOWANIA W Rozporządzeniu Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) NR 305/2011 [7] określa się nawierzchnię oraz cała konstrukcję nawierzchni drogowej jako nadającą się do użycia zgodnie z zamierzonym zastosowaniem w prognozowanym okresie ich użytkowania. Przy normalnej konserwacji nawierzchnia musi spełniać podstawowe wymagania dotyczące obiektów budowlanych przez techniczno-ekonomicznie uzasadniony okres użytkowania. Bezpieczeństwo użytkowania nawierzchni jest jednym z podstawowych wymagań w drogownictwie. Konstrukcja nawierzchni drogowej szczególnie w odniesieniu do tego wymagania, musi być zaprojektowana i wykonana w taki sposób, aby nie stwarzała niedopuszczalnego ryzyka wypadków lub szkód w użytkowaniu lub w eksploatacji, takich jak: poślizgnięcia, upadki i zderzenia [7]. Należy podkreślić, że powyższe Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) NR 305/2011 [7] w stosunku do podstawowego wymagania bezpieczeństwa użytkowania odnosi się do normalnej konserwacji nawierzchni przez ekonomicznie uzasadniony okres użytkowania. Dla powierzchniowych pokryć żywicznych, traktowanych jako wyroby naprawcze, okres ten powinien wynosić od 3 do 6 lat (gdy jest uzgodniony z EOTA lub CEN) [4]. W przypadku nawierzchni żywicznych, przyjmując nawet krótki 10-letni czas pracy konstrukcji nawierzchni, projektowany okres użytkowania powinien wynosić 10 lat przy normalnej konserwacji nawierzchni z możliwym dopuszczeniem łatwych napraw po 3 do 6 latach eksploatacji [4]. Z uwagi na stan wiedzy i doświadczenie, określenie żywotności nawierzchni drogowych powinno być racjonalne. Optymalizacja czynników wpływających na polerowalność kruszyw [1, 2] a w konsekwencji odporności na poślizg dla warstwy ścieralnej w IBDiM [2, 3,6] stanowi również problem badawczy wielu instytutów drogowych. Zwiększone oddziaływanie pojazdów lub pieszych prowadzi do częstych uszkodzeń eksploatacyjnych nawierzchni drogowych (stosowanych pokryć nawierzchni). Prowadzi to do utrudnień w ruchu lub niezbędnych zabiegów utrzymaniowych dróg. Obecnie użytkownicy i zarządy dróg, kierują swoje zainteresowania w kierunku zwiększonej trwałości nawierzchni z minimalną częstotliwością remontów i modernizacji. Poszukuje się długowiecznych nawierzchni drogowych [9], nawet najdroższych, które w całym okresie eksploatacji są jednak bardzo opłacalne pod względem kosztów i strat czasu na naprawy lub rehabilitację [9]. Innym pozytywnym czynnikiem powyższych koncepcji jest znaczne zmniejszenie wypadkowości na nawierzchniach długowiecznych, tj. o zwiększonym czasie eksploatacji bez napraw. Nawierzchnie żywiczne mogą być takim rozwiązaniem szczególnie na przejściach dla pieszych przez jezdnię i w miejscach skrzyżowań. 3 METODY WERYFIKACJI BEZPIECZEŃSTWA UŻYTKOWANIA Prowadzenie kontroli wykonawstwa i okresowej kontroli parametrów technicznych nawierzchni decyduje o bezpieczeństwie użytkowania. Należy podkreślić, że Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) NR 305/2011 [7] odnosi się do wyrobów budowlanych i określa warunki przydatności określonego wyrobu, wyprodukowanego przez określonego producenta między innymi pod względem bezpieczeństwa użytkowania w nawierzchni drogowej. Normalizacja PN-EN dla nawierzchni drogowych, dotycząca polerowalności kruszyw i odporności na poślizg oraz polski system kontroli stanu technicznego nawierzchni drogowych SOSN [8], z uwzględnieniem obecnych adaptacji związanych z gwarancjami, mogą być wykorzystane do oceny przydatności nawierzchni żywicznych. Metody weryfikacji bezpieczeństwa należy odnieść do ustalonych terminów budowy i eksploatacji nawierzchni, z uwzględnieniem intensywności ruchu w zależności od miejsca zastosowania nawierzchni żywicznej, w odniesieniu do następujących właściwości: polerowalności kruszywa (PSV), odporności na poślizg (PTV), tektury (MTD, MPD), trwałości, tj. zachowania odporności na poślizg i tekstury w czasie eksploatacji nawierzchni. 3331

3 Istnieją podstawowe metody badania mikrotekstury (m.in. objętościowa piasku kalibrowanego MTD, profilometrów laserowych MPD). Harmonizacją odporności na poślizg (IFI, EFI i inne) w ramach programów, takich jak: PIARC, HERMES [5] prowadzi do nadmiernej rozbudowy sposobów i procedur badawczych w zależności od stosowanego sprzętu. Jedynie przy niskich prędkościach odporność na poślizg przy badaniu wahadłem angielskim (BPT) jest niezawodnym wskaźnikiem mikrotekstury. Objętościowa metoda MTD badania mikrotekstury przy wykorzystaniu piasku kalibrowanego jest ogólnie uznaną jako mało powtarzalna. Natomiast, profilometryczne metody badania tekstury charakteryzują się dużą powtarzalnością, ale tylko w odniesieniu do określonego sprzętu pomiarowego. Ogólne scharakteryzowanie mikrotekstury stanowi wciąż otwarty problem w badaniach i ocenie odporności na poślizg [5,6]. Duży wpływ mikrotekstury przy niskich prędkościach i jej znaczenie, jako odwodnienia przy dużych prędkościach, to ramy problemu mikrotekstury w badaniach odporności na poślizg [6]. Badania polerowalności kruszyw PSV i sposoby określania lub metody badania właściwości odwadniających nawierzchni stanowią granice tego problemu. Ogólnie można stwierdzić, że badanie odporności na poślizg bez relacji do tych ram problemu mikrotekstury jest niepełne. Podobnie badanie odporności na poślizg w celu zachowania powtarzalności pomiarów wymaga odpowiedniej długości odcinków drogowych 4 BADANIA W badaniach przedstawiono niektóre aspekty oceny bezpieczeństwa użytkowania nawierzchni żywicznych. W celu zwiększenia jednoznaczności i możliwości wzajemnego odniesienia wyników badań, w poniższych badaniach głębokość mikrotekstury określano na powierzchni badania PTV. Powierzchnia ta jest również taka sama jak w badaniu PSV. 4.1 Próbki do badań Próbki do badań stanowiły: 1. próbka kruszywa do badani PSV wykonane z kruszywa bazaltowego, 2. próbki z nawierzchni żywicznej: próbka referencyjna wykonana w czasie wbudowania nawierzchni, próbka polowa wycięta z nawierzchni po 2 latach eksploatacji. 4.2 Warunki badania Badania wartości PSV dla próbki kruszywa przeprowadzono wg normy PN-EN :2009 Badania mechanicznych i fizycznych właściwości kruszyw - Część 8: Oznaczanie polerowalności kamienia, natomiast wskaźnika PTV w oparciu o PN-EN :2011 Drogi samochodowe i lotniskowe - Metody badań - Część 4: Metoda pomiaru oporów poślizgu/poślizgnięcia na powierzchni: Próba wahadła. Do badania PSV i PTV zastosowano ślizgacz o szerokości gumowej wkładki 76,2 mm. Długość drogi poślizgu wynosiła L=126±1 mm. Badania głębokości tekstury MTD dla próbki referencyjnej i polowej na wybranych powierzchniach poślizgu oznaczono na podstawie 5 profili dla każdej powierzchni, na długości ślizgu L=126 mm, przy wykorzystaniu profilometru igłowego. Standardowa metoda badania głębokości tekstury MPD piaskiem kalibrowanym dla nawierzchni żywicznych jest nieodpowiednia, z uwagi na jej wysoką porowatość, wodoprzepuszczalność jak również natychmiastowe przenikanie piasku kalibrowanego przez badane próbki referencyjną i polową. Głębokość tekstury oznaczano przy wykorzystani profilometru igłowego. Przyjęto oznaczenie głębokości tekstury jako MPD. W przypadku badań PSV, PTV i MPD badane powierzchnie próbek były jednakowych wymiarów 76,2x126 mm, które przedstawiono na rysunku 1. Badania próbek przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych w otoczeniu o temperaturze 20±2 o C. Płaskie powierzchnie próbek przed badaniem zostały wypoziomowane. 3332

4 a) b) c) Rys. 1. Badane powierzchnie o wymiarze 76,2x126 mm: a) próbka z kruszywa bazaltowego do badania PSV, b) próbka referencyjna wykonana w czasie wbudowania nawierzchni żywicznej, c) próbka polowa wycięta z nawierzchni żywicznej po 2 latach eksploatacji. 5 WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Na rysunku 2 przedstawiono przykładowo badane głębokości tekstury dla próbki referencyjnej na wybranej powierzchni poślizgu dla wszystkich punktów pomiarowych z pięciu profili pomiarowych o długości L-126 mm (czarne kwadraty) oraz uzyskaną z tych pomiarów średnią głębokość tekstury. W tabeli 1 zamieszczono wyniki badań głębokości tekstury dla próbki referencyjnej w pięciu profilach pomiarowych oraz uzyskaną z tych pomiarów średnią głębokość tekstury. Obliczona średnia głębokość tekstury dla próbki referencyjnej na wybranej powierzchni poślizgu wynosi MPD R =0,97 mm. Współczynnik zmienności głębokości tekstury dla tej powierzchni jest wynosi 8%. Nie jest on jednak reprezentantem błędu, ale zmienności tekstury na wybranej powierzchni. W związku z tym, że badanie odporności na poślizg PTV wykonano przy wykorzystaniu wahadła angielskiego (BPT) jako miarodajną do porównania z odpornością na poślizg PTV przyjęto głębokość tekstury w odniesieniu do średniej głębokości tekstury dla badanej powierzchni na próbkach do badań. Wyniki tych obliczeń zamieszczono również w tabeli 1. Tak samo postępowano przy wyznaczeniu średniej głębokości tekstury dla próbki polowej. Rys. 2. Średnią głębokość tekstury na długości L-126 mm dla próbki referencyjnej wraz z punktami pomiarowymi uzyskanymi w pięciu profilach (czasne kwadraty). 3333

5 Tab. 1. Wyniki badań głębokości tekstury MPD R i w odniesieniu do średniej głębokości tekstury dla próbki referencyjnej na wybranej powierzchni poślizgu w pięciu profilach pomiarowych Głębokość tekstury Numer profilu x [mm] Oznaczenie Pełna głębokość tekstury Średnia dla profilu MPD Rx 1,03 0,85 0,98 0,86 1,13 Średnia dla wybranej powierzchni MPD R 0,97 Odchylenie standardowe dla profili σ R (MPD Rx ) 0,12 Głębokość tekstury w odniesieniu do średniej głębokości tekstury badanej powierzchni Średnia dla profilu MPD RSx 0,67 0,63 0,64 0,65 0,71 Średnia dla wybranej powierzchni MPD RS 0,66 Odchylenie standardowe dla profili σ RS (MPD RSx ) 0,03 Zbiorcze zestawienie wyników badań próbki kruszywa, próbki referencyjnej i próbki polowej zamieszczono w tabeli 2. Jak można zauważyć, zarówno wyniki badania głębokości tekstury MPD jak i wskaźniki odporności na poślizg PTV są korzystniejsze dla próbki polowej wyciętej z nawierzchni po 2 latach eksploatacji. Przypuszczalnym powodem mniejszej wartości PTV R jest większa śliskość żywicy okrywającej ziarna kruszywa. Ostatecznie jednak pokrycie kruszywa żywicą wpływa korzystnie na wartość PTV P =66 jest większa od 65 i potwierdza niski potencjał poślizgu i niskie ryzyko poślizgu na nawierzchni żywicznej. Tab. 2. Wyniki badań wskaźników odporności na poślizg Głębokość tekstury Próbka Pełna MPD R WNIOSKI Wskaźnik odporności na poślizg W odniesieniu do średniej mm - Kruszywa - PSV= 50 Referencyjna 0,97 0,66 PTV R = 44 Polowa 1,30 0,78 PTV P = 66 Przedstawione wyniki badań pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: 1. Nawierzchnia żywiczna charakteryzuje się wysoką odpornością na poślizg PTV P =66. Początkowa niska odporność na poślizg ulega korzystnej zmianie po początkowym starciu nadmiaru żywicy. Wyniki badań nawierzchni żywicznej potwierdzają niski potencjał poślizgu i niskie ryzyko poślizgu na tej nawierzchni. 2. Standardowa metoda badania głębokości tekstury przy wykorzystaniu piasku kalibrowanego dla nawierzchni żywicznych jest nieodpowiednia z uwagi na jej wysoką wodoprzepuszczalność jak również natychmiastowe przenikanie piasku kalibrowanego przez badane próbki referencyjną i polową. Przyjęcie tych samych powierzchni do badania tekstury jak przy badaniu odporności na poślizg PTV jest korzystne ze względu na błąd, wynikający w różnych miejscach na próbce lub nawierzchni. Przedstawiony sposób pomiaru tekstury i odporności na poślizg przy wykorzystaniu brytyjskiego wahadła (BPT) może być zastosowany dla nawierzchni nie tylko żywicznych. Streszczenie Nawierzchnie żywiczne jako nawierzchnie przepuszczalne dla wody i charakteryzujące się wysoką odpornością na poślizg mogą być gospodarczo (ekonomicznie) uzasadnionym rozwiązaniem w miejscach wymagających takich właściwości, a szczególnie w miejscach skrzyżowań i przejść dla pieszych przez jezdnię. Podstawowym warunkiem bezpieczeństwa użytkowania nawierzchni jest trwałość, rozumiana jako odporność na poślizg oraz utrzymanie tych właściwości w jak najdłuższym czasie eksploatacji nawierzchni. Badanie właściwości użytkowych związanych z bezpieczeństwem użytkowania w przypadku nawierzchni żywicznych nie jest jednoznaczne pod względem proceduralnym. W tym artykule przedstawiono badania odporności na poślizg PTV, z uwzględnieniem polerowalności kruszywa PSV oraz głębokości tekstury MPD nawierzchni żywicznych, jako podstawowych charakterystyk bezpieczeństwa użytkowania. 3334

6 Operational safety of thin water-permeable mineral-resin surfaces Abstract Resin surfaces as surfaces permeable to water and of high skid resistance can be economically reasonable solution in applications requiring such properties, especially in junctions and pedestrian crossings. The surface durability, defined as resistance to slippage and to skid, and maintaining of these properties as long as possible during the surface operation are the basic safety conditions. The study of the performance of safety-related use for the resin surface is not clear from the procedural point. This article presents a study on skid resistance PTV including the polishing ability PSV aggregates and resin surface texture depth MPD as the basic characteristics of safety. BIBLIOGRAFIA 1. Duszyński A., Optymalizacja czynników wpływających na polerowalność kruszyw oraz możliwości jej zmniejszenia i optymalizacji mieszanek mineralnych pod kątem polerowalności. symbol pracy IBDiM -TW/55904//TW-24, Żmigród Węglewo, sierpień Duszyński A., Optymalizacja odporności na ścieranie kruszyw do warstwy ścieralnej nawierzchni - Etap II. symbol pracy IBDiM-TW/61205/TW-26, Żmigród Węglewo, listopad Duszyński A., Jasiński W.: Ocena odporności na poślizg nawierzchni drogowych wykonanych w technologii SMA - bezpieczeństwo pojazdów i pieszych, Logistyka 2/ EOTA Guidance Document: Assumption of working life of construction products in Guidelines for European Technical Approval, European Technical Approvals and Harmonized Standards Guidance. Document 002, Edition December FEHRL Report 2006/01 HERMES project, Harmonization of European Routine and research Measuring Equipment for Skid Resistance. FEHRL Mechowski T., Analiza i weryfikacja wymagań i procedur pomiarowych oceny właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni dróg publicznych i autostrad płatnych. IBDiM, Sprawozdanie z realizacji pracy TD-71 na zlec. GDDKiA, Warszawa, czerwiec Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) NR 305/2011 z dnia 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady 89/106/EWG. 8. System Oceny Stanu Nawierzchni (SOSN). Wytyczne stosowania - Załącznik D: Zasady pomiaru i oceny stanu właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni bitumicznych w systemie oceny stanu nawierzchni SOSN. GDDKiA, Sybilski D., TN-249: Nawierzchnie asfaltowe długowieczne i tanie w utrzymaniu - Zadanie 1 Analiza doświadczeń nawierzchni długowiecznych w świecie. Prace naukowo-badawcze zrealizowane w latach na zlecenie GDDKiA, IBDiM, Warszawa