Recykling głęboki na zimno z zastosowaniem mieszanek mineralnocementowo-emulsyjnych. asfaltowej. CHOMICZ-KOWALSKA Anna 1 STĘPIEŃ Justyna 2

Transkrypt

1 CHOMICZ-KOWALSKA Anna 1 STĘPIEŃ Justyna 2 Recykling głęboki na zimno z zastosowaniem mieszanek mineralnocementowo-emulsyjnych przy przebudowie istniejącej nawierzchni asfaltowej WSTĘP Stały rozwój transportu samochodowego, związany z przyrostem liczby pojazdów i użytkowników dróg oraz zwiększanie obciążeń działających na nawierzchnię wpływa niekorzystnie na zapewnienie jej trwałości w założonym okresie eksploatacji. Postępująca degradacja nawierzchni objawia się powstawaniem m.in. kolein, które w istotny sposób obniżają poziom bezpieczeństwa uczestników ruchu drogowego oraz komfort jazdy. Rozporządzenie [15] podaje wymagania dla cech eksploatacyjnych nawierzchni jezdni drogi nowej, przebudowanej albo remontowanej jakie powinna spełniać na etapie wykonywania robót oraz po ich zakończeniu, w zakresie równości podłużnej i poprzecznej oraz właściwości przeciwpoślizgowych. Parametry techniczno-eksploatacyjne nawierzchni jezdni mające bezpośredni wpływ na poziom bezpieczeństwa użytkowników dróg ulegają zmianie w czasie jej eksploatacji. Konstrukcja nawierzchni drogi, rozumiana jako warstwa lub zespół warstw powinna być projektowana i wykonana w taki sposób, aby zgodnie z [15]: przenosiła wszystkie oddziaływania i wpływy mogące występować podczas budowy i podczas użytkowania drogi, jeśli nie są przekraczane dopuszczalne naciski osi pojazdu na nawierzchnię, miała trwałość co najmniej równą okresowi użytkowania określonemu w dokumentacji projektowej, pod warunkiem wykonania czynności wynikających z rodzaju wbudowanych materiałów, kosztów użytkowania i zasad utrzymania nawierzchni, nie uległy zniszczeniu w stopniu nieproporcjonalnym do jego przyczyny. Nawierzchnia jezdni powinna być tak projektowana, aby stan graniczny nośności i przydatności do użytkowania nie był przekraczany w założonym okresie eksploatacji przyjętym dla konstrukcji podatnych i półsztywnych na poziomie 10 lat dla nawierzchni remontowanych i 20 lat dla nawierzchni nowych i przebudowywanych [15]. Stany graniczne przydatności do użytkowania uważa się za przekroczone, jeżeli powstały uszkodzenia uniemożliwiające bezpieczne użytkowanie nawierzchni w odniesieniu do wymienionych cech (równości podłużnej, poprzecznej i właściwości przeciwpoślizgowych) [15]. Prawidłowy dobór materiałów oraz grubości warstw podczas procesu projektowania konstrukcji nawierzchni pozwala zapewnić wymagany stan techniczny nawierzchni w założonym okresie eksploatacji. W przypadku niedoszacowanie grubości warstw konstrukcyjnych na etapie projektowania nowej bądź wzmacniania istniejącej nawierzchni asfaltowej wzrasta ryzyko zaistnienia przedwczesnych uszkodzeń, obniżając w ten sposób bezpieczeństwo i komfort jazdy. Diagnostyka nawierzchni w naszym kraju obejmuje badania cech funkcjonalnych nawierzchni (równość podłużna, koleiny, współczynnik tarcia, nośność, układ warstw konstrukcji nawierzchni, hałaśliwość) oraz diagnozowanie przyczyn uszkodzeń [11]. Identyfikacja stanu technicznego nawierzchni służy planowaniu robót utrzymaniowych oraz projektowaniu technologii remontów bądź wzmocnienia konstrukcji drogowej. Prognozowanie zmian stanu nawierzchni w Polsce jest słabo rozpoznane [11]. Zły stan techniczny nawierzchni sieci drogowej wymaga podjęcia działań, zmierzających do podniesienia poziomu bezpieczeństwa ruchu drogowego oraz minimalizacji oddziaływania inwestycji drogowych na środowisko, przy jednoczesnym zachowaniu jak najkorzystniejszego klimatu akustycznego. Są to obecnie kluczowe kryterium uwzględniane w procesie projektowania, budowy 1 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury, al. Tysiąclecia P. P. 7, Kielce. Tel: , a.kowalska@tu.kielce.pl 2 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury, al. Tysiąclecia P. P. 7, Kielce. Tel , justynas@tu.kielce.pl 2626

2 i utrzymania elementów infrastruktury drogowej. W ostatnich latach nastąpił znaczny wzrost zainteresowania społecznego ochroną środowiska naturalnego, zasobów materiałowych oraz przyrodniczych [14]. Aby ograniczyć zużycie nowych materiałów, a przez to chronić zasoby naturalne należy dążyć do ponownego wykorzystania materiałów pochodzących z istniejących konstrukcji drogowych. Jednym ze sposobów zagospodarowania materiałów ze zużytych warstw nawierzchni jest recykling konstrukcji nawierzchni drogowej w technologii na zimno z zastosowaniem mieszanek MCE, która jest metodą ekonomiczną i przyjazną dla środowiska naturalnego poprzez ograniczenie w stosowaniu nowych surowców mineralnych. Nie występuje w tym przypadku podgrzewanie składników mieszanki, przez co ogranicza się zjawisko emisji szkodliwych związków do atmosfery. Ponadto koszty związane z wytworzeniem warstwy podbudowy z mieszanki MCE są znacznie niższe do stosowanych obecnie tradycyjnych metod ze względu na możliwość nawet w 100% wykorzystania materiału z istniejących warstw nawierzchni. Materiał ten po prawidłowym wbudowaniu stanowi pełnowartościową podbudowę [2]. Mieszanka MCE składająca się z destruktu, kruszywa doziarniającego, emulsji asfaltowej, cementu i wody może być wytworzona w procesie recyklingu głębokiego na zimno w miejscu wbudowania lub w wytwórni stacjonarnej [3]. W pierwszym przypadku uzyskuje się wyraźne korzyści finansowe, związane z ograniczeniem transportu materiałów, ale także zmniejszenie emisji spalin i hałasu od pojazdów silnikowych przewożących kruszywo drogowe. Dzięki odpowiedniemu doborowi materiałów konstrukcji i technologii wykonania można ograniczyć emisję szkodliwych substancji do atmosfery, czyli wpłynąć na efektywne wykorzystanie energii przy jednoczesnym zagospodarowaniu materiałów odpadowych. Wprowadzenie wymagań w zakresie emisji gazów cieplarnianych w Unii Europejskiej skłania do wdrażania i rozwijania technologii mieszanek o obniżonych temperaturach technologicznych, które charakteryzują się tym, iż w ich skład wchodzi materiał pochodzący z istniejących warstw konstrukcji nawierzchni drogowej [8]. Ogranicza się przez to ingerencję w środowisko naturalne poprzez zmniejszenie ilości stosowania do warstw nośnych (podbudowy) nowych materiałów mineralnych [9, 10]. Celem opracowania jest przedstawienie koncepcji modernizacji konstrukcji nawierzchni jezdni dla wytypowanego odcinka drogi wojewódzkiej w zakresie dostosowania jej parametrów technicznych do obecnych i przyszłych potrzeb transportowych, na podstawie zrealizowanych terenowych i laboratoryjnych prac badawczych. Jako podstawowe założenia przy określaniu propozycji projektu wzmocnienia i przebudowy istniejącej konstrukcji nawierzchni drogi, z zastosowaniem racjonalnych rozwiązań technicznych, przyjęto konieczność zagwarantowania odpowiedniej nośności i trwałości nawierzchni przy jednoczesnym efektywnym wykorzystaniu energii ze względu na możliwość wykorzystania w konstrukcji nawierzchni materiałów odpadowych. 1 CHARAKTERYSTYKA OBSZARU OBJĘTEGO ANALIZĄ 1.1 Charakterystyka wytypowanego do analizy odcinka drogi Do analiz zawartych w opracowaniu wytypowano odcinek istniejącej drogi wojewódzkiej Nr 762 na odcinku od granicy gminy Chęciny tj. km do obiektu mostowego na rzece Łososina (Wierna Rzeka) w miejscowości Bocheniec tj. km długości ok. 2 km (powiat jędrzejowski). Przedmiotowy odcinek drogi zlokalizowany jest w powiecie jędrzejowskim, województwie świętokrzyskim i pokazany został na rysunku 1. Droga wojewódzka nr 762 na rozbudowywanym odcinku pełni funkcję drogi głównej (klasy G), jednojezdniowej, dwupasowej, dwukierunkowej. Szerokość jezdni o nawierzchni asfaltowej w stanie istniejącym jest zmienna i wynosi od 6m do 7m. Dodatkowo korpus drogi stanowią nieumocnione i porośnięte trawą pobocza mające szerokość ok. 1,5m. 2627

3 Rys. 1. Lokalizacja badanego odcinka drogi Nr 762 w sieci dróg województwa świętokrzyskiego (źródło: [18]) Zgodnie ze specyfikacją [16] podstawowymi celami realizowanej inwestycji są: poprawa przepustowości drogi i zwiększenie prędkości pojazdów ruchu tranzytowego na odcinku od granicy gm. Chęciny do m. Bocheniec poprzez poszerzenie drogi, dostosowanie parametrów nawierzchni do przeprowadzania ruchu ciężkiego, poprawa bezpieczeństwa ruchu w korytarzu drogi wojewódzkiej Nr 762, poprawa warunków ekologicznych mieszkańców miejscowości mieszkających w sąsiedztwie korytarza drogi wojewódzkiej Nr 762, umożliwienie aktywacji gospodarczej terenów zlokalizowanych m.in. w sąsiedztwie DW Ocena stanu technicznego nawierzchni jezdni analizowanego odcinka drogi W celu zaproponowania technologii wzmocnienia istniejącej nawierzchni wykonano niezbędne pomiary terenowe i badania laboratoryjne, obejmujące ocenę stanu istniejącego poprzez: pomiary i analizy natężenia ruchu drogowego, ocenę wizualną stanu istniejącego nawierzchni, pomiar głębokości koleiny w nawierzchni, rozpoznanie układu, grubości oraz właściwości materiałów z istniejących warstw konstrukcyjnych, ocenę warunków gruntowo-wodnych. W celu identyfikacji układu warstw konstrukcyjnych przeanalizowano wykonane odwierty w obrębie istniejącej konstrukcji nawierzchni [1] wraz z rozpoznaniem podłoża gruntowego na głębokość do około 2,0m poniżej niwelety osi jezdni (tab.1). Istniejąca konstrukcja na analizowanym odcinku drogi składa się z warstw asfaltowych o łącznej grubości od 12 do 21 cm, średnio 18 cm wykonanych na podbudowie z tłucznia kamiennego o grubości od 19 do 48 cm, średnio 32 cm, natomiast w podłożu zalegają piaski średnie, drobne i grube. Nie zanotowano występowania wód gruntowych. Tab.1. Zestawienie grubości oraz rodzaju materiałów w istniejących warstwach konstrukcyjnych Rodzaj i grubość warstwy Nr odwiertu Grubość warstw asfaltowych [cm] Grubość warstwy podbudowy tłuczniowej [cm] Rodzaj materiału w podłożu gruntowym Piasek średni Piasek średni Piasek drobny Piasek średni Piasek gruby Widok analizowanego odcinka drogi wojewódzkiej Nr 762 na odcinku od km do km wraz z widocznymi uszkodzeniami przedstawiono na fotografiach 1a 1h. Na podstawie oceny wizualnej przedmiotowego odcinka drogi stwierdzono występowanie licznych uszkodzeń w postaci ubytków krawędzi jezdni wywołanych brakiem obramowania i prawidłowego ukształtowania poprzecznego nieutwardzonego i porośniętego trawą pobocza (fot. 1a 1c). Obłamywanie się krawędzi jezdni wynika również z podmycia jej przez wodę opadową zalegającą na poboczu oraz poprzez brak sprawnie funkcjonującego odwodnienia wynikającego również z zamulonych rowów, przez co następuje rozluźnienie i osłabienie podłoża i podbudowy na skutek wymywanie drobnych cząstek z dolnych warstw konstrukcyjnych. Zanotowano ponadto lokalne ubytki w nawierzchni jezdni, łaty i wyboje oraz wyłuszczenia w warstwie ścieralnej. Występujące zwłaszcza w śladzie kół oraz w strefie przykrawędziowej spękania siatkowe (fot. 1d) o charakterze zmęczeniowym świadczą o utracie nośności przez konstrukcję. 2628

4 a) b) c) d) e) f) g) h) Fot. 1. Widok ogólny drogi wojewódzkiej Nr 762 na odcinku od km do km : widoczne ubytki i wybrzuszenia krawędzi jezdni (a c), koleiny (d e) z częściowym frezowaniem nawierzchni wypychanej z koleiny w strefie przy krawędzi jezdni (f g), spękania siatkowe w śladach kół (h) Parametrem istotnym z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu drogowego opisującym stan nawierzchni są koleiny, które wpływają na niestabilność toru jazdy pojazdu oraz obniżają przyczepność w momencie powstania poduszki wodnej między jezdnią a oponą [17]. Deformacje trwałe w postaci kolein strukturalnych (fot. 1e 1h) stanowią najbardziej widoczne uszkodzenie nawierzchni występujące na całej długości przedmiotowego odcinku drogi. Pomiary równości poprzecznej przeprowadzono na obu pasach ruchu w odstępach co 25m. Pomierzone łatą 4-metrową i klinem zgodnie z BN-68/ maksymalne wielkości prześwitu pomiędzy zdeformowaną nawierzchnią w miejscu oddziaływania kół pojazdów wyniosły od 25mm do 93mm. Obliczona wg [6] dla rozpatrywanego odcinka drogi miarodajna głębokość koleiny wyniosła 71mm, klasyfikując stan 2629

5 06:00-07:00 07:00-08:00 08:00-09:00 09:00-10:00 10:00-11:00 11:00-12:00 12:00-13:00 13:00-14:00 14:00-15:00 15:00-16:00 16:00-17:00 17:00-18:00 18:00-19:00 19:00-20:00 20:00-21:00 21:00-22:00 22:00-23:00 23:00-00:00 00:00-01:00 01:00-02:00 02:00-03:00 03:00-04:00 04:00-05:00 05:00-06:00 Natężenie ruchu [P/h] nawierzchni jako zły (miarodajna głębokość koleiny powyżej 30mm, klasa D, poziom krytyczny wg [5]) wymagający natychmiastowej interwencji. Przeprowadzony pomiar równości poprzecznej wykazał znaczne skoleinowanie nawierzchni i wybrzuszenie się krawędzi jezdni, utrudniające swobodne odpływanie wody opadowej do rowów przydrożnych, co stwarza dodatkowe zagrożenie dla uczestników ruchu drogowego poprzez możliwość utraty przyczepności opony z nawierzchnią. Przedmiotowy odcinek drogi znajduje się w bardzo złym stanie techniczno-eksploatacyjnym, nieadekwatnym do panujących warunków ruchowych, który kwalifikuje go do przeprowadzenia natychmiastowej przebudowy. Podczas dalszej eksploatacji będzie ulegał pogorszeniu z upływem czasu, stwarzając coraz większe zagrożenie i uciążliwość dla użytkowników ruchu. Występowanie licznych uszkodzeń wywołane jest zwiększającym się w ostatnich latach obciążeniem i natężeniem ruchu ciężkiego oraz oddziaływaniem warunków atmosferycznych. Charakter przebiegu drogi poprzez tereny leśne, skutkujący długotrwałym zacienieniem i zawilgoceniem nawierzchni, szczególnie w okresie jesienno-zimowym, niewątpliwie przyspiesza dalszą postępującą degradację nawierzchni. 1.3 Stan projektowany analizowanego odcinka DW 762 W ramach rozbudowy drogi przewiduje się przebieg trasy po istniejącym śladzie, przez tereny leśne, jako kontynuację projektowanej rozbudowy DW 762 na odcinku od węzła drogowego w Chęcinach do granicy gmin Chęciny Małogoszcz. Zasadniczym zadaniem całego układu konstrukcyjnego nawierzchni jest przenoszenie nacisku od kół pojazdów mechanicznych, stanowiących główne obciążenie drogi, na podłoże naturalne. Jako miarodajne obciążenie ruchem przyjmuje się perspektywiczny średniodobowy ruch roczny (SDR), obliczony dla połowy okresu eksploatacji, przy czym pod uwagę bierze się tylko pojazdy ciężkie. W projektowaniu nawierzchni wielokrotne obciążanie i odciążanie jest reprezentowane przez liczbę osi obliczeniowych L, przypadającą na obliczeniowy pas ruchu, która określa kategorię ruchu (KR), która jest podstawą do przyjęcia grubości warstw konstrukcyjnych. Wykonano prognozy obciążenia ruchem dla przyjętego okresu eksploatacji na podstawie danych z Generalnego Pomiaru Ruchu dla dróg wojewódzkich w roku W celu zweryfikowania opracowanej prognozy wykonano badania ruchu w przekroju analizowanego odcinka drogi Nr 762. Wykonany został 24-godzinny pomiar natężenia ruchu z wykorzystaniem techniki wideofilmowania. Rejestracji podlegały wszystkie pojazdy silnikowe (PS), korzystające z dróg publicznych w podziale na kategorie pojazdów. Na rysunku 2 przedstawiono profile zmienności natężenia ruchu podziałem na podstawowe grupy pojazdów( O+D samochody osobowe i dostawcze, C+CP+A samochody ciężarowe, ciężarowe z przyczepami, autobusy, PS pojazdy silnikowe łącznie) O+D C+CP+A PS 0 Godziny pomiaru Rys. 2. Wahania natężenia ruchu w przedziałach godzinowych ustalone na podstawie pomiarów całodobowych z dnia 2 kwietnia 2014 roku 2630

6 Podczas wykonanych pomiarów zarejestrowano większe natężenie ruchu pojazdów ciężkich, niż prognozowane na podstawie Generalnego Pomiaru Ruchu z 2010 r. Wyznaczono liczbę osi obliczeniowych, która potwierdza konieczność zwiększenia kategorii ruchu do KR4, w stosunku do kategorii KR3 dla stanu istniejącego. Na podstawie analizy i obliczeń prognozy ruchu w 10 roku po oddaniu drogi do eksploatacji zgodnie z Katalogiem [13] ustalono liczbę równoważnych N 100 =3,2 mln osi 100kN przypadających na pas obliczeniowy, co odpowiadam kategorii obciążenia ruchem KR4. Prognozowane wartości natężenia ruchu na DW 762 zostały obliczone na podstawie instrukcji [7]. Warstwa ścieralna w całej konstrukcji nawierzchni spełnia bardzo wiele ważnych funkcji, z czego najważniejszą jest bezpieczne prowadzenie pojazdu po drodze. Jest poddana bezpośredniemu wpływowi czynników atmosferycznych, musi być odporna na spękania, odkształcenia, zmęczenie, ale także powinna emitować jak najmniejszy hałasu generowany w płaszczyźnie kontaktu opona-nawierzchnia. Ruch drogowy stanowi złożone, liniowe źródło emisji hałasu ze względu na znaczną liczbę i charakter równocześnie działających źródeł punktowych (w funkcji czasu). Emituje on hałas ciągły o zmiennych wartościach poziomu dźwięku. Poziom hałasu w otoczeniu drogi jest zależny przede wszystkim od: poziomu dźwięku poszczególnych pojazdów (źródła punktowe), parametrów drogi i ruchu oraz stanu technicznego nawierzchni. Dla przedmiotowego odcinka drogi w dokumentacji [12] został określony zakres oddziaływania hałasu drogowego z wykorzystaniem analizy równoważnego poziomu dźwięku (A) programem SoundPlan-Manager. Z analiz wykonanych dla dwóch horyzontów czasowych roku oddania inwestycji do użytku 2015 roku oraz 10-letniego okresu eksploatacji tj roku. Przeprowadzone w [12] analizy akustyczne przy wprowadzonej do projektu nawierzchni ograniczającej hałas wykonanej z SMA wykazały, iż izofony wartości dźwięku 61dB w porze dnia i 56dB w porze nocnej nie będą oddziaływać na budynki znajdujące się w sąsiedztwie inwestycji. Badania geotechniczne podłoża [1] wykazały, że w rejonie projektowanej przebudowy drogi występują grunty o klasie nośności G1. Na podstawie oceny obciążenia ruchem oraz analizy stanu istniejącego nawierzchni stwierdzono, iż konieczna jest jej przebudowa, zapewniająca zwiększenie jej nośności. W celu zapewnienia minimalnych spadków podłużnych, wynoszących 0,3% niweletę zaprojektowano jako wyniesioną ponad istniejącą średnio 10 cm. W związku z tym, iż zachodzi konieczność sfrezowania górnych warstw nawierzchni, zgodnie z Katalogiem [4] metoda ugięć sprężystych w tym przypadku nie jest przydatna przy projektowaniu wzmocnienia. Indywidualną metodą mechanistyczną zaprojektowano wzmocnienie istniejącej konstrukcji nawierzchni analizowanego odcinka drogi polegające na przetworzeniu istniejących warstw metodą na miejscu w technologii recyklingu na zimno w podbudowę z mieszanki MCE z przykryciem nowymi warstwami asfaltowymi na gorąco. 2 PROJEKT WZMOCNIENIA KONSTRUKCJI NAWIERZCHNI DW 762 Wzmocnienie przedmiotowego odcinka DW 762 zaprojektowano indywidualnie. Zgodnie z Rozporządzeniem [3], przy indywidualnym projektowaniu konstrukcji nawierzchni zaleca się stosowanie metod mechanistycznych z wykorzystaniem obliczenia naprężeń i odkształceń w nawierzchni według teorii wielowarstwowej półprzestrzeni sprężystej lub lepkosprężystej. Konstrukcje podatne z podbudową z kruszywa łamanego stabilizowanego mechanicznie lub podbudową z mieszanki mineralno-asfaltowej powinny być projektowane z zastosowaniem kryteriów zmęczeniowych warstw asfaltowych i deformacji podłoża oraz warstw z materiałów niezwiązanych [15]. Trwałość zmęczeniową konstrukcji nawierzchni rozpatrywanego odcinka drogi obliczono przy wykorzystaniu kryteriów Instytutu Asfaltowego, powszechnie wykorzystywanego w Polsce. Dla każdej z istniejących i projektowanych warstw nawierzchni przyjęto stałe materiałowe zgodnie z Katalogiem [13]. Obliczenia wykonano przy założeniu, że model konstrukcji nawierzchni stanowi wielowarstwowa półprzestrzeń sprężysta. Określono w ten sposób trwałość zmęczeniową warstw asfaltowych ze względu na spękania i trwałość ze względu na deformacje trwałe nawierzchni. Schemat konstrukcji przyjętej do obliczeń przedstawiono na rysunku

7 P=50 kn q=850 kpa SMA 11 Nowa warstwa ścieralna E 1, v 1, h 1 AC 22P MCE Nowa warstwa podbudowy zasadniczej E 3, v 3, h 3 Nowa warstwa podbudowy zasadniczej E 4, v 4, h 4 Sfrezowane istniejące warstwy asfaltowe Istniejące warstwy asfaltowe Tłuczeń kamienny Istniejąca warstwa podbudowy E4, v4 h4 (zmienne) Istniejąca warstwa podbudowy z tłucznia kamiennego Piasek Podłoże gruntowee5, v5 Rys. 3. Schemat konstrukcji przyjętej do obliczeń (oznaczenia: ɛa odkształcenie rozciągające na spodzie warstw Rys. asfaltowych, 3. ɛp odkształcenie ściskające w podłożu, Ei, vi stałe materiałowe poszczególnych warstw, hi grubość warstwy, P obciążenie koła, q ciśnienie kontaktowe) Trwałość zmęczeniową warstw asfaltowych (do wystąpienia spękań zmęczeniowych warstw asfaltowych) określono korzystając z następującej zależności (wzór 1): N asf = 18,4 C (6, ε a E* ) (1) gdzie: N asf liczba obciążeń do wystąpienia spękań zmęczeniowych na 20% powierzchni nawierzchni, C = 10 M, M = 4,84 (V b / (V b + V a ) 0,69), V b zawartość objętościowa asfaltu [%], V a zawartość wolnych przestrzeni [%], E* - dynamiczny moduł sztywności najniższej warstwy asfaltowej, ε a odkształcenia rozciągające występujące w spodzie warstw asfaltowych. Trwałość ze względu na deformacje trwałe nawierzchni (do wystąpienia krytycznych kolein) określono korzystając z następującej zależności (wzór 2): ε p = k(1/n p ) m (2) gdzie: ε p pionowe odkształcenia ściskające na górnej powierzchni podłoża gruntowego, k=1, , m = 0,223 (współczynniki wg Chevrona), N p liczba obciążeń do wystąpienia krytycznej deformacji strukturalnej w nawierzchni (12,5mm). Obliczenia trwałości zmęczeniowej analizowanych konstrukcji nawierzchni wykonano przy zmiennych warunkach w zakresie grubości istniejącej warstwy podbudowy z tłucznia kamiennego oraz przy zmianie nośności podłoża gruntowego: 50MPa (tab. 2), 80MPa (tab. 3), 100MPa (tab.4). Założono frezowanie istniejących warstw asfaltowych na grubość średnio 8cm, następnie przetworzenie pozostawionej części wraz z istniejącą warstwą podbudowy z tłucznia kamiennego w nową warstwę podbudowy z mieszanki MCE o grubości 20cm zgodnie z [15]. Uwzględniając powyższe, oraz wartości średnie grubości istniejących warstw konstrukcyjnych (tab. 1), obliczenia trwałości przeprowadzono dla trzech wariantów grubości warstwy podbudowy z tłucznia h PT : wariant A uwzględnia występowanie miejsc przetworzenia na pełną grubość istniejącej warstwy podbudowy tłuczniowej wraz z warstwami asfaltowymi na podbudowę z mieszanki MCE, h PT = 0 cm, wariant B uwzględnia przypadek występowania istniejącej podbudowy grubości jedynie 19cm (odwiert nr 1 tab. 1), h PT = 19cm - 10cm = 9 cm, wariant C zakłada pomniejszenie średniej grubości (32cm) warstwy podbudowy z tłucznia kamiennego o grubość 10cm przeznaczoną do przetworzenia wraz z warstwami asfaltowymi w nową warstwę podbudowy z mieszanki MCE, h PT = 32 cm 10 cm = 22 cm. 2632

8 Tab. 2. Wyniki obliczeń trwałości zmęczeniowej dla nawierzchni obciążonej ruchem KR4 posadowionej na podłożu gruntowym o nośności 50MPa KR4 v [-] Wariant A Wariant B Wariant C h [cm] E [MPa] h [cm] E [MPa] h [cm] E [MPa] Warstwa ścieralna SMA 11 0, Warstwa wiążąca AC16W 0, Podbudowa zasadnicza AC 22P 0, Podbudowa zasadnicza MCE 0, Istniejąca warstwa podbudowy tłuczniowej 0, Podłoże gruntowe 0, ε r 1, , , ε p 3, , , N asf [osie obliczeniowe 100 kn] N p [osie obliczeniowe 100 kn] E i moduł sztywności, v i współczynnik Poissona, h i grubość warstwy Tab. 3. Wyniki obliczeń trwałości zmęczeniowej dla nawierzchni obciążonej ruchem KR4 posadowionej na podłożu gruntowym o nośności 80MPa KR4 v [-] Wariant A Wariant B Wariant C h [cm] E [MPa] h [cm] E [MPa] h [cm] E [MPa] Warstwa ścieralna SMA 11 0, Warstwa wiążąca AC16W 0, Podbudowa zasadnicza AC 22P 0, Podbudowa zasadnicza MCE 0, Istniejąca warstwa podbudowy tłuczniowej 0, Podłoże gruntowe 0, ε r 9, , , ε p 2, , , N asf [osie obliczeniowe 100 kn] N p [osie obliczeniowe 100 kn] E i moduł sztywności, v i współczynnik Poissona, h i grubość warstwy Tab. 4. Wyniki obliczeń trwałości zmęczeniowej dla nawierzchni obciążonej ruchem KR4 posadowionej na podłożu gruntowym o nośności 100MPa KR4 v [-] Wariant A Wariant B Wariant C h [cm] E [MPa] h [cm] E [MPa] h [cm] E [MPa] Warstwa ścieralna SMA 11 0, Warstwa wiążąca AC16W 0, Podbudowa zasadnicza AC 22P 0, Podbudowa zasadnicza MCE 0, Istniejąca warstwa podbudowy tłuczniowej 0, Podłoże gruntowe 0, ε r 8, , , ε p 2, , , N asf [osie obliczeniowe 100 kn] N p [osie obliczeniowe 100 kn] E i moduł sztywności, v i współczynnik Poissona, h i grubość warstwy Przedstawione w tabelach 2 4 wyniki obliczeń trwałości zmęczeniowej wykazały, że trwałość przedmiotowej wzmacnianej nawierzchni w dużym stopniu zależy zarówno od jakości podłoża gruntowego na którym posadowione zostały warstwy pierwotnej konstrukcji drogowej, jak i od jakości wykonania warstw leżących na tym podłożu. Występowanie oraz grubość starej podbudowy tłuczniowej pod warstwą podbudowy zasadniczej z mieszanki MCE ma istotny wpływ zarówno na obliczone rozciągające odkształcenia poziome pod warstwami asfaltowymi, jak i na odkształcenia ściskające w poziomie podłoża gruntowego. Podobnie istotna w tym zakresie jest nośność samego podłoża, wyrażona modułem jego sztywności. 2633

9 WNIOSKI Przetworzenie istniejących warstw metodą na miejscu w technologii recyklingu na zimno w pełnowartościową podbudowę niesie ze sobą korzyści środowiskowe i finansowe. Należy dążyć do maksymalnego wykorzystania istniejących materiałów ze zużytych warstw konstrukcji nawierzchni drogowej. Stosowanie technologii recyklingu umożliwia zagospodarowanie istniejących materiałów przyczyniając się do ograniczenia transportu nowych surowców mineralnych co wpływa korzystnie na proces realizacji inwestycji drogowych. Wykonane obliczenia metodami mechanistycznymi wykazały, że przyjęta grubość wzmocnienia (18 cm nowych warstw asfaltowych, 20 cm podbudowa z mieszanki MCE) jest wystarczająca do przeniesienia założonego poziomu ruchu przez 20 letni okres eksploatacji nawierzchni po przebudowie dla kategorii obciążenia ruchem KR4. Na podstawie wyników obliczeń trwałości zmęczeniowych analizowanych konstrukcji nawierzchni drogowych, we wszystkich rozpatrywanych przypadkach posadowionych na podłożu gruntowym o nośności 50MPa, 80MPa i 100MPa, należy stwierdzić, że o trwałości konstrukcji decyduje kryterium spękań zmęczeniowych warstw asfaltowych, natomiast wystąpienie krytycznych deformacji trwałych przewidywane jest w późniejszym okresie. Jednoczesne obniżenie obu rozważanych zmiennych (grubości istniejącej podbudowy tłuczniowej i nośności podłoża gruntowego) z poziomu najlepszego do najgorszego skutkuje maksymalnym spadkiem trwałości nawierzchni z 10,8 mln do 3,8 mln osi obliczeniowych. Wskazuje to na konieczność oraz duże znaczenie prawidłowego i dokładnego rozpoznania zarówno warunków gruntowych jak i stanu technicznego wzmacnianych nawierzchni jako czynników niezbędnych dla wykonania trwałej nawierzchni. Streszczenie Rozwój transportu samochodowego związany z przyrostem liczby pojazdów i użytkowników dróg oraz zwiększanie obciążeń działających na nawierzchnię wpływa niekorzystnie na zapewnienie jej trwałości w założonym okresie eksploatacji. Postępująca degradacja nawierzchni objawia się powstawaniem uszkodzeń, które w istotny sposób obniżają bezpieczeństwo użytkowników ruchu oraz komfort jazdy. Ważne jest, aby podczas procesu projektowania nowych oraz przy przebudowie istniejącej sieci drogowej stosować rozwiązania materiałowe z uwzględnieniem zrównoważonego rozwoju, ochrony zasobów naturalnych oraz ograniczania zużycia energii. Technologia recyklingu głębokiego na zimno stosowana podczas przetwarzania istniejących warstw konstrukcji w pełnowartościową podbudowę pozwala zapewnić w założonym okresie eksploatacji trwałość nawierzchni przy jednoczesnej ochronie środowiska naturalnego poprzez ograniczenie w stosowaniu nowych materiałów. W referacie przedstawiono propozycję rozwiązań konstrukcyjnych nawierzchni na przykładzie przebudowy drogi wojewódzkiej nr 762 dla kategorii obciążenia ruchem KR4. Obliczenia trwałości zmęczeniowej analizowanych konstrukcji przeprowadzono przy zmiennej nośności istniejącego podłoża gruntowego (50 MPa, 80 MPa i 100 MPa). Cold in place recycling technology with mineral-cement-emulsion mixes for road pavement reconstruction Abstract The rapid development of transportation connected with increasing amount of vehicles and road users as well as increasing load values transmitted directly to the road pavement influence negatively its durability and design life. The progressive degradation of road pavement leads to damage, which decrease significantly the safety of road users and comfort of travelling. It is highly recommended to use such material solutions for a design of new roads or for their reconstruction which will consider the principles of sustainable development together with saving the natural resources and limiting the energy consumption. The cold in place recycling technology, which is used for recycling of existing road pavement layers into new base course, guarantees the durability of a road pavement within the assumed time of exploitation with respect to environment protection by limiting the application of new materials. Basing on the example of road no. 762 with KR4 traffic and its rebuilding, the paper proposes new structural solutions for road pavements. Sample calculations of fatigue durability of the analyzed structure was conducted considering different subsoil load capacities (50 MPa,

10 MPa and 100 MPa). Artykuł powstał podczas indywidualnego stażu w trakcie realizacji projektu Inwencja II Transfer wiedzy, technologii i innowacji wsparciem dla kluczowych specjalizacji świętokrzyskiej gospodarki i konkurencyjności przedsiębiorstw, który współfinansowany jest przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Wyniki badań mogą być udostępniane przedsiębiorstwom. BIBLIOGRAFIA 1. Dokumentacja geotechnicznych badań podłoża gruntowego dla potrzeb projektu: Rozbudowy drogi wojewódzkiej Nr 762 na odcinku od km do km długości ok 2 km. Materiały przedsiębiorstwa Contek Projekt. 2. Dołżycki B. Niejednorodność podbudowy z mieszanki mineralno-cementowo emulsyjnej. Konferencja naukowo-techniczna Estetyka i Ochrona Środowiska w Drogownictwie, Nałęczów, Dołżycki B., Instrukcja projektowania i wbudowywania mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych (MCE). Katedra Inżynierii Drogowej Politechniki Gdańskiej. Gdańsk GDDKiA, Katalog Przebudów i Remontów Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych. Opracowanie pod przewodnictwem Dariusza Sybilskiego, Instytut Badawczy Dróg i Mostów. Warszawa GDDP. System Oceny Stanu Nawierzchni. SOSN. Wytyczne Stosowania. Warszawa GDDP. Zasady pomiaru i oceny stanu kolein nawierzchni bitumicznych w systemie oceny stanu nawierzchni SOSN. Warszawa Instrukcja oceny efektywności ekonomicznej przedsięwzięć drogowych i mostowych dla dróg wojewódzkich. IBDiM, Warszawa, Iwański, M., Chomicz-Kowalska A., Mrugała, J., Application of the synthetic wax to improve the foamed bitumen parameters used in half-warm bituminous mixtures, 9th International Conference Environmental Engineering Lithuania Iwański, M., Chomicz-Kowalska, A., Laboratory Study on mechanical Parameters of Foamed Bitumen Mixtures in the Cold Recycling Technology, Procedia Engineering 57, (2013). 10. Iwański, M., Chomicz-Kowalska, A., Moisture and frost resistance of the recycled base rehabilitated with the foamed bitumen technology, Archives of Civil Engineering, 58(2), (2012). 11. Judycki J., Jaskuła P. Diagnostyka i modernizacja konstrukcji nawierzchni drogowych. 56 Konferencja naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN oraz Komitetu Nauki PZITB, Kielce-Krynica, , września Karta Informacyjna Przedsięwzięcia. Opracowanie dokumentacji projektowej dla rozbudowy drogi wojewódzkiej Nr 762 na odcinku od km do km Materiały przedsiębiorstwa Contek Projekt. 13. Katalog Typowych Konstrukcji podatnych i półsztywnych. GDDKiA, Gdańsk Kowalski K., Radziszewski P., Król J., Piłat J., Sarnowski M. Trwałe i ekologiczne nawierzchnie drogowe ze zużytych materiałów budowlanych. VI Międzynarodowa Konferencja Ochrony Środowiska i Estetyki w Budownictwie Komunikacyjnym, 17-27, Kazimierz Dolny Rozporządzanie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz. U. z dnia 14 maja 1999 roku, Nr 43, poz. 430). 16. Specyfikacja techniczna. Wymagania ogólne., Opracowanie dokumentacji projektowej dla rozbudowy drogi wojewódzkiej Nr 762 na odcinku od granicy gminy Chęciny tj. km do obiektu mostowego na rzece Łososina (Wierna Rzeka) w miejscowości Bocheniec tj. km długości ok. 2 km. Materiały przedsiębiorstwa Contek Projekt. 17. Staniek M., Metody oceny stanu nawierzchni sieci drogowej. Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej 2011, Seria: Transport, z Strona internetowa: Publikacja artykułu sfinansowana została w ramach projektu Inwencja II Transfer wiedzy, technologii i innowacji wsparciem dla kluczowych specjalizacji świętokrzyskiej gospodarki i konkurencyjności przedsiębiorstw, współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego, którego liderem jest Świętokrzyskie Centrum Innowacji i Transferu Technologii Sp. z o.o. 2635