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
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
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
PRÓBY UWZGL DNIENIA STREF KLIMATYCZNYCH W POLSCE WT-2 2014: Beton asfaltowy o wysokim module sztywno ci (AC WMS) 4
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) S60 300 MPa m60 0,3 G*/sinδ Temperatura pośrednia, wynika z X i Y Badanie w DSR (po RTFOT + PAV): G*sinδ 5000 kpa
PROCEDURA - ZAKRESY PG PG X-Y wg. AASHTO M 320-10 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 64-22 E oznacza duży ruch ciężki oraz postój 6
DO WIADCZENIA POLSKIE wg Prof. Sybilskiego, z zespołem, 2000 r. P=98% dla warstwy ścieralnej: PG 58-34 PG 58-28 Analiza w oparciu o dane ze stacji meteo z okresu 5 lat (od 1994 do 1998). 9
DO WIADCZENIA AMERYKA SKIE - PRZYKŁAD STANU WIRGINIA wg Prowell, 1999 r. 10
DO WIADCZENIA AMERYKA SKIE - PRZYKŁAD STANU CALIFORNIA Klimat - bardzo zróżnicowany 11
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
DO WIADCZENIA ESTO SKIE wg Sven Sillamae, 2015 wg Bahia, 2015 13
PG - INNE KRAJE Białoru PG 58-28 Klimat umiarkowany, wpływy kontynentalne 98%, ścieralna PG 52-28 PG 52-34 wg Leonowicz, 2012 14
ANALIZA DANYCH TEMPERATURY POWIETRZA Dane w latach 1986 2015, 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
MINIMALNE TEMPERATURY POWIETRZA 1 ROK Temperatura powietrza [ C] Przykład rocznej minimalnej temperatury powietrza rok 1987, Białystok, Tmin= -34,6 C, 30.01.1987 r. 0-5 -10-15 -20-25 -30-35 -40 Tmin= -34,6 C Data i godzina 17
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 25 20 15 10 5 0 Data i godzina 18
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
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
STREFY KLIMATYCZNE W POLSCE ZALEZNO CI OD PG Drogi klasy A i S P=98% warstwa cieralna PG 52-22 PG 52-22 PG 52-28 PG 52-28 PG 52-34 PG 52-34 PG 58-22 PG 58-28 PG 58-28 PG 58-34 PG 52-22 PG 58-28 PG 58-34 PG 52-28 PG 52-28 22
STREFY KLIMATYCZNE W POLSCE ZALEZNO CI OD PG Drogi krajowe P=80% warstwa cieralna PG 46-22 PG 52-28 PG 46-22 PG 52-22 PG 58-28 PG 52-22 PG 52-28 PG 52-34 PG 58-34 PG 46-22 23
STREFY KLIMATYCZNE W POLSCE ZALEZNO CI OD PG Pozostałe drogi P=50% warstwa cieralna PG 46-16 PG 46-22 PG 52-16 PG 46-22 PG 46-16 PG 52-22 PG 52-22 PG 46-22 PG 52-16 PG 52-22 PG 52-22 24
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) S60 300 MPa m60 0,300 (po RTFOT + PAV) (po RTFOT + PAV) Rodzaj funkcjonalny asfaltu PG 70/100 (2) 58 64 22-22 -22 58-22 50/70 (2) 64 70 24-22 -22 64-22 45/80-55 (1) 70 70 25-22 -22 70-22 45/80-55 (2) 76 76 22-28 -22 76-22 45/80-80 (1) 88 82 19-28 -22 82-22 Górne PG mocno ponad wymaganie wynikające z klimatu sztuczne zwi kszenie ze wzgl du na obciążenie ruchem 25
PRZYKŁAD DOBORU RODZAJU ASFALTU DO WARSTWY CIERALNEJ Zestawienie PG asfaltów do warstwy cieralnej wg rozszerzonej klasyfikacji AASHTO M 332-14 (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) 58 64 1,52 8,7% H 58H-22 50/70 (2) 64 70 0,57 6,7% V 58V-22 45/80-55 (1) 70 70 0,26 38% E 58E-22 45/80-55 (2) 76 76 0,11 41% E 58E-22 45/80-80 (1) 88 82 0,04 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
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
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
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
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
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
PRAWDOPODOBIE STWO POWSTANIA SP KA NISKOTEMPERATUROWYCH Poziom zmienno ci wyników +/- 10%: Poziom zmienno ci wyników +/- 20%: 32
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
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
DZI KUJ ZA UWAG! http://www.rabdim.pl/index.php/rb/article/view/v16n4p245/440 35