Konieczność wzmacniania asfaltowych nawierzchni drogowych Prof. dr hab. inż. Dariusz Sybilski 1
O czym opowiem Lata 1980-1990 Lata 1990-2003: problemy i innowacje Lata 2004-2014: problemy i innowacje Podsumowanie 2
Lata 1980-1990 Lata 1990-2003: problemy i innowacje Lata 2004-2012: problemy i innowacje Podsumowanie 3
1980-1990 Trudne lata polskiego drogownictwa Pomijamy politykę Z punktu widzenia drogowca - brak funduszy na budowę i modernizację dróg Efekt - zły stan sieci drogowej Poszukiwanie tańszych rozwiązań technologicznych 4
IBDiM - innowacje technologiczne Siarka i kek Lepiszcza smołowo-asfaltowe i pakowoasfaltowe 5
1986 6
Lata 1980-1990 Lata 1990-2003: problemy i innowacje Lata 2004-2012: problemy i innowacje Podsumowanie 7
Lata 1990-2003: problemy i innowacje Problemy: Bardzo niskie nakłady na sieć drogową Znane stwierdzenie ówczesnego wiceministra drogi są i sobie poradzą Nie poradziły sobie 8
Lata 1990-te nowe pojazdy Kiedyś: Obciążenie osi 80 kn Ciśnienie w oponie 0,6 MPa Teraz: Obciążenie osi 115 (130) kn Ciśnienie w oponie 1,1 MPa 9
Koszt ponadnormatywnego obciążenia Dodatkowa szkoda wynosi na drodze: krajowej ze 100 kn/oś do 115 kn/oś - 1,33 zł/km wojewódzkiej z 80 kn/oś do 115 kn/oś - 12 zł/km powiatowej lub gminnej z 80 kn/oś do 115 kn/oś - 40 zł/km Roczne dodatkowe koszty zniszczenia sieci dróg krajowych i wojewódzkich zarządzanych przez ówczesną GDDP 3 356 mln zł Zyski przewoźników - 409 mln zł 10
Rok 1994 Lato stulecia Skoleinowanie sieci dróg krajowych 11
Klimat w Polsce Średnia temperatura 1964-1994 40 30 20 10 0-10 -20-30 1960 1970 1980 1990 2000 12
1995-1996: Recykling nawierzchni Polskie drogi nie nadawały się do zastosowania tej technologii Niejednorodność składu warstwy ścieralnej naprawianych nawierzchni Niejednorodność składu mieszanek mineralnoasfaltowych Liczne naprawy cząstkowe z mieszankami o całkowicie innym składzie Wyjątkowa konieczność codziennej, kilkakrotnej zmiany recepty mieszanki m-a dodawanej do istniejącej warstwy ścieralnej 13
14
Recykling nawierzchni Obszerna dziedzina o długiej już historii i obejmująca wiele wariantów recyklingu ze względu na: Miejsce przetworzenia Temperaturę Przetwarzany materiał Użyty środek wiążący (lepiszcze, spoiwo) Głębokość przetworzenia 15
Recykling obecnie i w przyszłości Konieczność odpowiedniego wyboru wariantu recyklingu Szczególny problem - stosowanie przetworzonego destruktu asfaltowego zwanego granulatem asfaltowym Nawierzchnie asfaltowe są w świecie najskuteczniej wtórnie stosowane wśród materiałów alternatywnych Ponad 80% warstw asfaltowych nawierzchni drogowych w USA jest powtórnie stosowana w budowie dróg 16
Recykling w USA 17
18
19
Rozwiązanie problemu kolein Po nieudanych doświadczeniach recyklingu na miejscu Beton asfaltowy modyfikowany elastomerem SBS (metoda bezpośrednia) Uruchomienie produkcji asfaltu modyfikowanego SBS w Rafinerii Gdańskiej Upowszechnienie stosowania mieszanki SMA 20
Problem pękania nawierzchni Zmęczenie Od dołu do góry (klasyczne) Od góry do dołu (nowe) Skurcz Fizyko-chemiczny (spoiwo hydrauliczne) Termiczny Osiadanie podłoża gruntowego Wady konstrukcyjne Różnica nośności w przekroju poprzecznym, np. poszerzenie Połączenia technologiczne Brak połączenia między warstwami przyśpieszone zmęczenie Starzenie asfaltu 21
Czynniki generujące spękania nawierzchni asfaltowej Rodzaj pęknięcia Zmęczeniowe Czynnik generujący Ruch pojazdów Zmęczeniowe termiczne Cykle termiczne Termiczne Odbite Niska temperatura lub szybki spadek temperatury Spękania w niższych warstwach 22
Zmęczenie dół - góra 23
Słabe podłoże 24
Spękania termiczne 25
Spękania odbite 26
Lata 1980-1990 Lata 1990-2003: problemy i innowacje Lata 2004-2012: problemy i innowacje Podsumowanie 27
Lata 2004-2012: problemy i innowacje 2004: przystąpienie Polski do Unii Europejskiej Znaczny wzrost nakładów na budowę i modernizację infrastruktury drogowej Problemy: Spękania Innowacje: Beton asfaltowy o wysokim module sztywności 28
Pęknięcia poprzeczne, A2, sekcja 2 29
Pęknięcia blokowe, A2, sekcja 3 30
Droga poprzeczna nad A2 sekcja 3 31
Wpływ lepiszcza na uszkodzenia nawierzchni asfaltowej Pękanie niskotemperaturowe Zmęczenie Koleinowanie 0 20 40 60 80 100 % 32
Temperatura nawierzchni w Polsce 55 54 j 58 52<T< 58 58 58 58 58 53 52 58<T< 64 58 55 54 j -28-34 -34-28 51 52 58 53-28 -28<T< -34 50 58 58 58 52-22<T< -28-28 49 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 l 51-28 -28-28 50-28 -28 49 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 l 33
Temperatura nawierzchni a lepiszcze asfaltowe Rozpiętość temperatury warstwy nawierzchni ponad 90 C (PG x-y) Konieczność stosowania asfaltów modyfikowanych polimerami 34
TSRST T p, C TSRST Temperatura pękania 0 D50P D70P D50V D50N D50G OLE30B OLE80C -5-10 -15-20 -25-30 -35 SMA8 BA16 BA20 BA25 35
N f (e=200 10-6 m/m) Trwałość zmęczeniowa 500000 437901 400000 300000 200000 195536 100000 38271 0 BA WMS 0/20 4,2% OLE 30B BA 0/16 4,8% D50 BA 0/25 3,5% D50 36
Beton asfaltowy o wysokim module sztywności AC WMS Technologia francuska od lat 1980-tych Większa sztywność nawierzchni mniejsze naprężenie i odkształcenie w spodzie warstw asfaltowych Mniejsza grubość nawierzchni Większa trwałość nawierzchni 37
Nawierzchnia długowieczna Cienka warstwa ścieralna: SMA, BBTM, PA Warstwy nośne: AC WMS Warstwa przeciwzmęczeniowa 38
Zeszyt 70: Porównanie konstrukcji nawierzchni typowej i AC WMS KR6 20 14 600 001 i więcej (8 347 601 i więcej) 2 8 15 20 KR6 30 21 900 001 i więcej (12 521 401 i więcej) 2 8 17 20 Typowa konstrukcja KTKNPP KR6 14 600 001 i więcej (8 347 601 i więcej) 5 8 18 45 cm 47 cm 51 cm Typowa konstrukcja wg KTKNPP KR6 z ACWMS ma zwiększoną trwałość zmęczeniową Nawierzchnia Długowieczna, trwałość ponad 40 lat 20 39
Nawierzchnia długowieczna Nawierzchnie długowieczne projektowane na ponad 40 lub 50 lat Wykorzystanie AC WMS Perpetual Pavement, USA 40
Projekt UE: SPENS 41
Warstwa Grubość, cm Materiał Lepiszcze A ścieralna 2 SMA 8 DE80C wiążąca 10 AC WMS 16 20/30 podbudowa niezwiązana stabilizowana mechanicznie 20 kruszywo dolomitowe 0/31,5 B ścieralna 2 SMA 8 DE80C wiążąca 10 AC 16 35/50 podbudowa niezwiązana stabilizowana mechanicznie 20 kruszywo dolomitowe 0/31,5 C ścieralna 4 STRABAPHALT Asfalt + Zaprawa cementowa wiążąca 8 AC 16 35/50 podbudowa niezwiązana stabilizowana mechanicznie 20 kruszywo dolomitowe 0/31,5 D ścieralna 2 SMA 8 DE80C wiążąca 7 AC WMS 16 20/30 warstwa antyzmęczeniowa 3 AC AF DE80C podbudowa niezwiązana stabilizowana mechanicznie 20 kruszywo dolomitowe 0/31,5 42
SPENS: zmęczenie nawierzchni 50 40 30 20 10 0 D A C B Trwałość zmęczeniowa, 10^5 Szkoda zmęczeniowa, % 43
Ocena stanu technicznego - warunki konieczne wzmacniania nawierzchni drogowej Kategorie ruchu drogi od KR1 do KR7 Najprostsze do najbardziej zaawansowanych metod badań stanu nawierzchni Zarządca sieci drogowej powinien prowadzić systematyczne oceny stanu sieci Gromadzenie danych uzyskane od własnych lub zamówionych zespołów specjalistów dysponujących odpowiednim sprzętem badawczym Niezbędne dane - ważny czynnik ich kompletność 44
Ocena stanu technicznego - warunki konieczne wzmacniania nawierzchni drogowej Badania konstrukcji nawierzchni Ocena nośności Określenie stanu eksploatacyjnego drogi Możliwość racjonalnego wdrożenia systemu zarządzania nawierzchniami dróg (PMS Pavement Management System) 45
Warszawa 2003: Frezowanie i wzmocnienie 3 cm SMA8 z DE80B 9 cm BAWMS20 z DE30B Siatka szklana powlekana asfaltem? cm istniejąca podbudowa z? Podłoże gruntowe GAPP Katowice, 23 listopada 2006 46
Warszawa 2007: Frezowanie i wzmocnienie 3 cm SMA8 z DE80B Siatka węglowo-szklana powlekana asfaltem 9 cm BAWMS20 z DE30B Siatka szklana powlekana asfaltem? cm istniejąca podbudowa z? Podłoże gruntowe GAPP Katowice, 23 listopada 2006 47
Warszawa 2003: Frezowanie i wzmocnienie Wzmocnienie nawierzchni BAWMS Wysoki moduł sztywności Duża trwałość zmęczeniowa Siatka Wzmocnienie nawierzchni Zapobieganie spękaniom odbitym SMA8 Lepsza tekstura niż BA Dobre właściwości przeciwpoślizgowe Mniejsza hałaśliwość ruchu DE80B większa wodo- i mrozoodporność GAPP Katowice, 23 listopada 2006 48
Frezowanie i wzmocnienie: Doświadczenia warszawskie Harmonogram robót Rozpoczęcie robót: piątek 18.00 Oddanie nawierzchni do ruchu: poniedziałek 6.00 W ciągu 4 lat (2004-2007) wykonano ponad 2,0 mln m 2 odnowy nawierzchni (około 40% sieci dróg ZDM K+W+P) GAPP Katowice, 23 listopada 2006 49
Ocena trwałości zmęczeniowej nawierzchni po odnowie Badania 5 ulic Ugięcia FWD przed i po odnowie Analiza trwałości zmęczeniowej nawierzchni metodą mechanistyczną GAPP Katowice, 23 listopada 2006 50
Ocena trwałości zmęczeniowej nawierzchni po odnowie GAPP Katowice, 23 listopada 2006 51
Ocena trwałości zmęczeniowej nawierzchni po odnowie Wyraźna rezerwa trwałości zmęczeniowej warstw asfaltowych Decydujące kryterium odkształcenia podłoża gruntowego Znaczne zróżnicowanie wyników oceny różnorodność konstrukcji, materiałów i stanu podbudowy Ugięcia FWD średnio mniejsze o 20% po odnowie Trwałość nawierzchni po odnowie szacowana na od 8 do 18 lat GAPP Katowice, 23 listopada 2006 52
Skuteczność siatki Bardzo dobre połączenie międzywarstwowe (w przeciwieństwie do włókniny) Sztywność siatki Ujawnienie działania siatki na spękanym, osłabionym podłożu GAPP Katowice, 23 listopada 2006 53
Frezowanie i wzmocnienie: Doświadczenia warszawskie Szybka i skuteczna poprawa stanu nawierzchni ulic Mniejsze koszty odnowy niż generalnego remontu od 2,5 do 10-ciokrotnie niż klasycznych przebudów Szybkość odnowy i zmniejszenie utrudnienia ruchu - małe koszty społeczne 1 miesiąc utrudnień ruchu z powodu przebudowy skrzyżowania to 1,2 mld PLN kosztów społecznych Utrudnienia ruchu tylko w weekend Poprawa komfortu jazdy po mieście (wzrost komfortu życia użytkowników) Poprawa komfortu otoczenia zmniejszenie hałasu GAPP Katowice, 23 listopada 2006 54
Efekt wzmocnienia nawierzchni w Warszawie Całkowite wzmocnienie nawierzchni ulic od 2003 do 2014 r. 5 milion m 2 Całkowity koszt wzmocnienia nawierzchni ulic w Warszawie 38 mln PLN (9 mln EUR) S&P Reinforcement, Oporto, October 2014 55
Podsumowanie Lata 1980 2012: znaczne przemiany w polskim budownictwie asfaltowych nawierzchni drogowych: Mechanistyczne metody projektowania konstrukcji nawierzchni Stosowanie nowych materiałów i technologii Wdrożenie wielu innowacyjnych materiałów i technologii Zmiany w przepisach technicznych Wprowadzenie nowych metod badań Wyposażenie laboratoriów w nowy, zaawansowany sprzęt badawczy Zróżnicowanie skali przemian uwarunkowane nakładami finansowymi: bardzo niskie w latach 1980 2004 bardzo duże w latach 2004 2012 Obecny stan sieci drogowej jest daleko lepszy niż w ubiegłych latach i jak pokazują coroczne badania stanu nawierzchni, ulega on stałej poprawie Zniknięcie deformacji trwałych nawierzchni asfaltowych po 1994 r. z głównej sieci drogowej Potrafimy także zapobiec powstawaniu spękaniom nawierzchni różnego pochodzenia: zmęczeniowe, odbite, termiczne 56
Wyzwania w najbliższych latach Redukcja hałasu drogowego Ciche nawierzchnie Nawierzchnie modyfikowane gumą z przeróbki opon samochodowych Recykling nawierzchni asfaltowych Na zimno i na gorąco Na miejscu i w wytwórni Skuteczne przetwarzanie destruktu asfaltowego w granulat i jego zastosowanie w mieszankach mineralno-asfaltowych Stosowanie materiałów alternatywnych (odpadów przemysłowych) Technologie produkcji i wbudowania mieszanek mineralno-asfaltowych o obniżonej temperaturze na ciepło i na pół-ciepło zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych, obniżenie kosztów produkcji mieszanek (mniejsze zużycie energii) Asfaltowe nawierzchnie długowieczne 57
Wyzwania w najbliższych latach Poważne wyzwania, którym będziemy mogli podołać w ścisłej współpracy: administracji drogowej wszystkich szczebli ośrodków badawczych wykonawców robót 58
Dziękuję za uwagę 59