Leszek Rafalski Instytut Badawczy Dróg i Mostów Kruszywa drogowe w wymaganiach technicznych rekomendowanych przez Ministra Infrastruktury 1 1. Wstęp Nawierzchnia drogowa jest skonstruowana z warstw dobranych w taki sposób, aby naprężenia powstające od obciążeń eksploatacyjnych oraz oddziaływania klimatyczne nie powodowały zniszczenia tych warstw. Poszczególne warstwy powinny mieć właściwości zapewniające ich trwałość podczas założonego okresu eksploatacji nawierzchni. W konstrukcjach dróg o mniejszej kategorii ruchu (np. lekkim) najczęściej nawierzchnię wykonuje się z niewielu warstw (rys. 1a). Natomiast nawierzchnie dróg wyższej kategorii ruchu (np. ciężkim lub bardzo ciężkim) są najczęściej skonstruowana z wielu warstw (rys. 1b). Górna warstwa nawierzchni Podbudowa ulepszone naturalne Warstwy nawierzchni drogowej Warstwy podłoża a) b) Warstwa ścieralna Warstwa wiążąca Podbudowa zasadnicza Podbudowa pomocnicza ulepszone naturalne Rys. 1. Warstwy nawierzchni drogowej i podłoża drogowego [3,4] Zależnie od rodzaju materiałów użytych do konstrukcji nawierzchni, nawierzchnie drogowe mogą ulegać pod wpływem ruchu pojazdów odkształceniom w różny sposób. Z tego względu nawierzchnie drogowe dzielą się na podatne, półsztywne i sztywne. Przykłady poszczególnych rodzajów nawierzchni ilustrują rys. 2, 3 i 4. 1 Artykuł w czasopiśmie Drogi nr 2/2010 r. 1
Rys. 2 Przykład konstrukcji nawierzchni podatnej drogi o kategorii ruchu KR6 Rys. 3 Przykład konstrukcji nawierzchni półsztywnej drogi o kategorii ruchu KR6 Rys. 4 Przykład konstrukcji nawierzchni betonowej drogi o kategorii ruchu KR6 2
(grubość warstwy mrozoochronnej zależy od głębokości przemarzania) Kruszywa drogowe są dominującym składnikiem nawierzchni drogowych zarówno pod względem masy jak i objętości, ale udział procentowy kruszyw zależy od rodzaju materiałów zastosowanych do nawierzchni. Udział ten jest większy, jeżeli podbudowa jest wykonana na przykład z kruszywa stabilizowanego mechanicznie, a mniejszy wówczas, gdy podbudowa jest z rodzimego gruntu stabilizowanego spoiwem lub lepiszczem. Jednak, niezależnie od rodzaju konstrukcji nawierzchni drogowej, udział kruszywa jest znaczący. 2. Oddziaływanie obciążenia eksploatacyjnego na nawierzchnie Oddziaływanie ruchu na nawierzchnie drogowe jest zagadnieniem bardzo złożonym. Koło pojazdu poprzez oponę może oddziaływać na nawierzchnie statycznie lub dynamicznie. Obciążenie dynamiczne powstaje w wyniku przyspieszeń lub opóźnień od ruchu pojazdu oraz przyspieszeń pionowych, które są skutkiem nierówności drogi i powodują powstawanie sił pionowych i poziomych działających na nawierzchnię. W procedurze projektowania nawierzchni konieczne jest przewidywanie sumarycznego ruchu, zwanego także ruchem całkowitym, jaki będzie przenosić nawierzchnia w okresie żywotności, czyli od wybudowania do osiągnięcia granicznego stanu nośności. Uzyskanie granicznego stanu nośności wynika ze zmęczenia materiałów warstw nawierzchni, powodującego ich zniszczenie lub nadmierne odkształcenia elementów nawierzchni. Dotychczas oddziaływanie na nawierzchnie drogowe pojazdów ciężkich do pojazdów lekkich porównywano stosując tzw. prawo czwartej potęgi, czyli przyjmowano wykładnik α = 4. Oznaczało to, że przejazd 1 samochodu ciężarowego o obciążeniu 100 kn/oś odpowiadał: 100 4 160 000 przejazdów samochodu osobowego o obciążeniu kn/oś. W ostatnich latach przeprowadzono badania mające na celu zweryfikowanie oddziaływania ciężkich pojazdów na nawierzchnie. Wyniki tych badań przedstawiono w dwóch raportach opracowanych przez OECD/ECMT Joint OECD/ITF Transport Research Committee, [1] oraz European Long - Life Pavement Group ELLPAG [2], opublikowanych w 2009 roku. Z badań opublikowanych w tych raportach wynika, że oddziaływanie pojazdów ciężkich na nawierzchnie jest większe niż przyjmowane na podstawie wcześniejszych badań, a wykładnik α, którego wartość dotychczas przyjmowano 4, wynosi dla: - nawierzchni asfaltowych -, - nawierzchni betonowych -12. Oznacza to, że w wypadku nawierzchni asfaltowych przejazd 1 samochodu ciężarowego o obciążeniu 100 kn/oś odpowiada: 100 3 200 000 przejazdów samochodu osobowego o obciążeniu kn/oś. Natomiast w wypadku nawierzchni betonowych przejazd 1 samochodu ciężarowego o obciążeniu 100 kn/oś odpowiada: 100 12 20 12 3
przejazdów samochodu osobowego o obciążeniu kn/oś. Przeprowadzone badania opisane w obu raportach, zmieniają pogląd na oddziaływanie pojazdów ciężkich na nawierzchnie drogowe. Obecnie należy przyjmować założenie, że pojazdy te mają bardziej agresywny wpływ niż dotychczas przyjmowano. Badania te mają także wpływ na wymagania stosowane dla kruszyw drogowych w poszczególnych warstwach nawierzchni (np. wytrzymałość lub odporność na ścieranie). 3. Wdrożenie norm europejskich w wymaganiach technicznych rekomendowanych przez Ministra Infrastruktury Obecność Polski w Unii Europejskiej zobowiązuje nasz kraj do wdrażania norm europejskich i ich stosowania w praktyce. Normy europejskie często nie są możliwe do bezpośredniego wykorzystania. W procesie tworzenia tych norm osiągany jest kompromis wynikający z porozumienia wielu krajów europejskich uczestniczących w pracach normalizacyjnych. W rezultacie wiele norm europejskich zawiera katalog różnych wymagań i metod badania stosowanych w krajach europejskich. Trudno zresztą sobie wyobrazić, żeby te same wymagania obowiązywały we wszystkich krajach europejskich różniących się warunkami klimatycznymi oraz różnym oddziaływaniem pojazdów na drogi. Dlatego poszczególne kraje europejskie wybierają z norm te wymagania i metody badania, które są dla nich odpowiednie. Zgodnie z polskim prawem normy nie są obowiązkowe. Z tego względu dobrym rozwiązaniem jest wdrażanie norm europejskich w drodze rekomendacji, czyli zasady dobrowolnego stosowania. Takie rozwiązanie zostało przyjęte w Polsce. Oznacza to, że z norm europejskich dotyczących poszczególnych grup materiałów wybrano te wymagania i metody badania, które są odpowiednie dla warunków polskich, a następnie opracowano wymagania techniczne dotyczące zasad stosowania i metod badania tych materiałów w Polsce. W dniu 1 sierpnia 2008 roku Minister Infrastruktury podjął decyzję o wdrażaniu norm europejskich w drodze wytycznych rekomendowanych. W tym dniu w Ministerstwie Infrastruktury została powołana Stała Komisja Rekomendacji do spraw drogownictwa. Komisja jest organem doradczym Ministra Infrastruktury w sprawach wytycznych i innych dokumentów technicznych dotyczących dróg i drogowych obiektów inżynierskich. Zadaniem tej Komisji jest opiniowanie wytycznych i innych dokumentów dotyczących dróg i drogowych obiektów inżynierskich. Projekty wymagań technicznych przygotowują grupy robocze lub zespoły autorskie. Po pozytywnym zaopiniowaniu przez Komisję projektu wymagań technicznych, Minister Infrastruktury rekomenduje wymagania zawarte w tym dokumencie do stosowania na terenie Rzeczypospolitej Polskiej. Jest to nowa forma wprowadzenia w drogownictwie wymagań technicznych, których stosowanie jest nieobligatoryjne, tak jak nieobligatoryjne jest stosowanie w budownictwie Polskich Norm zatwierdzonych przez Prezesa Polskiego Komitetu Normalizacyjnego. Wielu zarządców dróg, tworząc specyfikacje na zamawiane roboty drogowe lub mostowe, będzie mogło przytoczyć te wymagania, a wówczas staną się one obowiązkowe. Oczywiście mogą być też stosowane inne rozwiązania techniczne nie ujęte w rekomendacjach, np. użycie różnych materiałów odpadowych, które powinny być wdrażane indywidualnie. Aktualnie takie materiały lub wyroby nie ujęte w normach, często bardzo nowoczesne i dlatego nie znormalizowane, są opisane w aprobatach technicznych. W tworzeniu wymagań technicznych rekomendowanych przez Ministra Infrastruktury należy podkreślić istotną rolę Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad oraz Polskiego 4
Stowarzyszenia Wykonawców Nawierzchni Asfaltowych, które sfinansowały niezbędne prace badawcze oraz aktywnie uczestniczyły w przygotowanie projektów wymagań. Wymagania techniczne są publikowane w serii Wymagania Techniczne rekomendowane przez Ministra Infrastruktury wydawanej przez Instytut Badawczy Dróg i Mostów. 4. Wymagania techniczne dotyczące kruszyw rekomendowane przez Ministra Infrastruktury w 2008 roku We wrześniu 2008 roku Minister Infrastruktury podpisał rekomendację dla dokumentu Kruszywa do mieszanek mineralno asfaltowych i powierzchniowych utrwaleń na drogach publicznych, po wcześniejszym uzyskaniu pozytywnej opinii Stałej Komisji Rekomendacji do spraw Drogownictwa w Ministerstwie Infrastruktury. Wymagania techniczne, zwane WT-1 Kruszywa 2008 [], były pierwszym dokumentem przygotowanym w ramach serii Wymagania Techniczne rekomendowane przez Ministra Infrastruktury do stosowania na drogach publicznych Rzeczpospolitej Polskiej. WT-1 Kruszywa 2008 wdrażają europejską normę EN 13043:2002, zatwierdzoną do stosowania na terenie Rzeczypospolitej Polskiej jako Polska Norma PN-EN 13043:2004 Kruszywa do mieszanek bitumicznych i powierzchniowych utrwaleń stosowanych na drogach, lotniskach i innych powierzchniach przeznaczonych do ruchu. W wyniku wprowadzenia tej normy wycofano osiem Polskich Norm sprzecznych z powyższą normą europejską oraz znowelizowano lub wprowadzono nowe normy dotyczące metod badania kruszyw. Rekomendowane wymagania techniczne składają się z dwóch części. W pierwszej części podano wykaz właściwości oraz metod badania kruszywa, które po przeprowadzonej analizie normy PN-EN 13043:2004 przyjęto do stosowania w Polsce. Natomiast w części drugiej podano wymagania dotyczące kruszywa do mieszanek mineralno-asfaltowych i powierzchniowych utrwaleń, dostosowane do polskich warunków klimatycznych i obciążenia ruchem drogowym. Kolejnym dokumentem rekomendowanym przez Ministra Infrastruktury w 2008 roku są wymagania techniczne dotyczące nawierzchni asfaltowych na drogach publicznych: WT-2 Nawierzchnie asfaltowe 2008 [6]. W tym dokumencie podano wymagania techniczne dotyczące mieszanek mineralno-asfaltowych produkowanych na gorąco, warunki ich produkcji oraz warunki wykonania i odbioru drogowych nawierzchni asfaltowych. Rekomendowane wymagania techniczne są związane z ustanowionymi w 2006 r. europejskimi normami zharmonizowane serii EN-13108, które zostały zatwierdzone w Polsce jako Polskie Normy PN-EN 13108. Stosowana wcześniej norma PN-S-9602, zawierająca wymagania techniczne dotyczące wytwarzania mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco oraz wykonywania z nich warstw nawierzchni asfaltowych na gorąco, została wycofana w 2008 r. decyzją Prezesa PKN ze zbioru Polskich Norm. Podobnie jak w wypadku wymagań dotyczących kruszywa, wprowadzenie norm dotyczących nawierzchni asfaltowych do stosowania wymagało przeanalizowania i dostosowania ogólnych wymagań zawartych w normach do krajowych warunków technicznych i klimatycznych. Wymagania techniczne WT-2 Nawierzchnie asfaltowe 2008 obejmują zakres wycofanej normy PN-S-962 i są powiązane z wymaganiami WT-1 Kruszywa 2008 rekomendowanymi we wrześniu 2008 przez Ministra Infrastruktury.. Wymagania techniczne dotyczące kruszyw rekomendowane przez Ministra Infrastruktury oraz zaakceptowane przez Stałą Komisję Rekomendacji w 2009 roku W lutym 2009 r. Minister Infrastruktury podpisał rekomendacje dla dokumentu Kationowe emulsje asfaltowe na drogach publicznych WT-3 Emulsje asfaltowe 2009 [7], który zawiera
wymagania dotyczące kationowych emulsji asfaltowych, a w szczególności właściwości i metody badań kationowych emulsji asfaltowych stosowanych na drogach publicznych w Polsce. Dokument ten nie zawiera wymagań dotyczących kruszyw. Ponadto, w 2009 roku zostały zaakceptowane przez Stałą Komisję Rekomendacji do spraw drogownictwa kolejne wymagania techniczne dotyczące kruszyw: - WT-4 Mieszanki niezwiązane do dróg publicznych, - WT- Mieszanki związane spoiwem hydraulicznym do dróg publicznych. WT-4 Mieszanki niezwiązane zawierają: - wymagania dla materiałów, - wymagane właściwości mieszanek niezwiązanych przeznaczonych do podłoża ulepszonego, podbudowy pomocniczej, podbudowy zasadniczej i nawierzchni. Przykład wymagań dotyczących uziarnienia mieszanki niezwiązanej 0/8 do podłoża ulepszonego pokazano na rys.. Rys. Uziarnienie mieszanki niezwiązanej 0/8 do podłoża ulepszonego Kolejny dokument, tj. WT- Mieszanki związane zawiera wymagania dotyczące: - mieszanki związanej cementem, - mieszanki związanej żużlem, - mieszanki związanej zawierającej popiół lotny, - mieszanki związanej spoiwem drogowym. WT- opisują wymagania dotyczące składników mieszanek, zasady ich projektowania i wymagania dla gotowych mieszanek. Na przykład dla mieszanki związanej cementem podano: - wymagania dla składników mieszanki: kruszywa, spoiwa, wody, dodatków, domieszek, - zasady projektowanie składu mieszanki: uziarnienie, zawartość spoiwa i wody, przygotowanie i pielęgnacja próbek, badanie wytrzymałości i mrozoodporności, - wymagania dla mieszanek przeznaczonych do różnych warstw. 6. Kierunki dalszych prac W zakresie kruszyw drogowych w 2010 roku przewidywana jest nowelizacja WT-1 Kruszywa 2008 i WT-2 Nawierzchnie asfaltowe 2008. Nowelizacja tych dokumentów powinna być 6
poprzedzona zebraniem uwag od jednostek, które je stosowały w praktyce inżynierskiej, a zwłaszcza Okręgowych laboratoriów Drogowych GDDKiA, Polskiego Stowarzyszenia Wykonawców Nawierzchni Asfaltowych, przedsiębiorstw drogowych i producentów kruszyw. Znowelizowane wymagania WT-1 i WT-2 powinny uwzględniać uzasadnione wnioski tych jednostek a także raporty [1, 2] dotyczące oddziaływania ciężkich pojazdów na nawierzchnie drogowe. Bibliografia 1. A Guide to the use of Long-life Semi Rigid Pavements, European Long - Life Pavement Group Report ELLPAG, FEHRL, Brussels 2009 2. Moving Freight with better Trucks improving Safety, Productivity and Sustainability. Joint OECD/ITF Transport Research Committee, 2009 3. Rafalski L. Podbudowy drogowe. Wyd. IBDiM, Warszawa 2007 4. Rafalski L. nawierzchni drogowej. Inżynieria morska i geotechnika 3 /2009.Wymagania Techniczne Kruszywa do mieszanek mineralno-asfaltowych i powierzchniowych utrwaleń na drogach publicznych WT-1 Kruszywa 2008 opracowane przez zespoły autorskie pod kierunkiem prof. Dariusza Sybilskiego. Wyd. IBDiM, Warszawa 2008 6.Wymagania Techniczne Nawierzchnie asfaltowe na drogach publicznych WT-2 Nawierzchnie asfaltowe opracowane przez zespół autorski pod kierunkiem prof. Dariusza Sybilskiego. Wyd. IBDiM, Warszawa 2008 7. Wymagania Techniczne Kationowe emulsje asfaltowe na drogach publicznych WT-3 Emulsje asfaltowe 2009 opracowane przez zespół autorski pod kierunkiem mgr Włodzimierza Pobożnego. Wyd. IBDiM, Warszawa 2009 7