Inżynieria wartości a kwestia trwałości mieszanek mineralno- -asfaltowych dr inż. Krzysztof Błażejowski Seminarium Inżynieria wartości w praktyce Katowice, 15.10.2015 r. ORLEN. NAPĘDZAMY PRZYSZŁOŚĆ.
Agenda Inżynieria wartości Podstawowe problemy trwałości nawierzchni asfaltowych Rozwiązania materiałowe Rozwiązania strukturalne Podsumowanie 2
Inżynieria wartości ujęcie księgowych Inżynieria wartości (ang. value engineering VE) to analiza stanowiąca kluczowy element rachunku kosztów docelowych etap, na którym dochodzi do opracowania propozycji poprawy efektywności projektu. Inżynieria wartości określana jest jako usystematyzowana analiza wszystkich cech funkcjonalnych tworzonych w łańcuchu wartości projektu prowadzona w celu osiągnięcia docelowego kosztu projektu przy jednoczesnym sprostaniu wymaganiom klienta. Źródło: M. Łada, Rachunkowość zarządcza i controlling projektów, C.H. Beck, Warszawa 2007 3
Inżynieria wartości ujęcie GDDKiA Inżynieria wartości to proces analizowania funkcji produktu w celu poszukiwania i eliminacji zbędnych kosztów oraz równoczesnej poprawy jego jakości i funkcjonalności. pokonywanie i zmiana przyzwyczajeń, otwartość na rozwiązania innowacyjne i niestandardowe, poszukiwanie optymalnych rozwiązań, analiza kosztów i funkcjonalności produktu w całym cyklu jego życia, eliminacja zbędnych kosztów i funkcji. Źródło: Materiały GDDKiA 4
Inżynieria wartości warianty stosowania Układ tradycyjny: Na etapie projektowania wybór optymalnego rozwiązania materiałowego lub projektowego Na etapie przetargu (wykonania) wybór najkorzystniejszej alternatywy W obecnych przetargach drogowych typu projektuj i buduj mamy do czynienia ze złożeniem obydwu wariantów. Źródło: Dr inż. Leszek Janusz, Inżynieria wartości: od teorii do praktyki, 2012, Warszawa 5
Inżynieria wartości w praktyce Jak zastosować inżynierię wartości do nawierzchni drogowych? Jakie zagadnienia trwałości można rozpatrywać w tym kontekście? 6
Podstawowe problemy trwałości nawierzchni asfaltowych Każdy zarządca drogi najwyższy priorytet przyznaje przejezdności, czyli komfortowi i bezpieczeństwu jazdy, czyli dostarczaniu użytkownikom dróg usługi o najwyższej jakości. Nie oznacza to, że cykl życia (trwałość) całej nawierzchni nie jest istotny. Jest on uwzględniany, ponieważ ma poważne skutki ekonomiczne. Zagadnienia trwałości nawierzchni asfaltowych można podzielić na te, które podwyższają trwałość pojedynczych warstw materiałowe oraz te, które przez specjalne koncepcje strukturalne podwyższają trwałość całej konstrukcji. 7
Podstawowe problemy trwałości nawierzchni asfaltowych Problemy materiałowe (przykłady): podatność warstwy MMA na koleinowanie wrażliwość warstwy MMA na wodę i mróz zmiana właściwości materiałów w czasie pod wpływem czynników zewnętrznych: UV, wysoka temperatura, niska temperatura (twardnienie fizyczne), nacisk (miażdżenie), polerowanie powierzchni warstwy ścieralnej itd. 8
Podstawowe problemy trwałości nawierzchni asfaltowych Problemy strukturalne (przykłady): słaba wytrzymałość zmęczeniowa odkształcalność podłoża nieprawidłowe odwodnienie 9
Podstawowe problemy trwałości nawierzchni asfaltowych Podstawowa kwestia czy w ramach koncepcji inżynierii wartości jesteśmy w stanie rozwiązać dotychczasowe problemy? Jeśli inżynieria wartości jest możliwością zastosowania niestandardowych rozwiązań materiałowych, nowych koncepcji strukturalnych, czyli wszystkiego, co przełoży się na zwiększenie trwałości to TAK, możemy tego dokonać w wielu przypadkach. 10
Podstawowe problemy trwałości nawierzchni asfaltowych Problemy materiałowe: podatność warstwy MMA na koleinowanie - stosowanie niestandardowych metod projektowania składu MMA, przy odejściu od dotychczasowych wymagań (krzywych uziarnienia, parametrów objętościowych itd.). - niestandardowe metody badań, np. badanie koleinowania w wyższej temperaturze - stosowanie nowych materiałów: lepiszczy asfaltowych, kruszyw, dodatków itd. 11
Podstawowe problemy trwałości nawierzchni asfaltowych Problemy materiałowe: wrażliwość warstwy MMA na wodę i mróz - nowe materiały odporne na niższe temperatury, cykle zamrażania, solankę - stosowanie niestandardowych metod badania (np. wg doświadczeń skandynawskich) albo np. badanie odporności na koleinowanie w wodzie zamiast w powietrzu 12
Podstawowe problemy trwałości nawierzchni asfaltowych Problemy materiałowe: zmiana właściwości materiałów w czasie pod wpływem czynników zewnętrznych: UV, wysoka temperatura, niska temperatura (twardnienie fizyczne), nacisk (miażdżenie), polerowanie kołami itd. - nowe materiały (lepiszcza, kruszywa) - nowe metody badań zarówno pojedynczych materiałów jak i mieszanki mineralno-asfaltowej 13
Podstawowe problemy trwałości nawierzchni asfaltowych Problemy strukturalne: słaba wytrzymałość zmęczeniowa - stosowanie nowych metod projektowania (wymiarowania) nawierzchni - stosowanie niestandardowych układów warstw - stosowanie nowych MMA i metod ich projektowania - stosowanie nowych materiałów 14
Przykład rozwiązań materiałowych Asfalty wysokomodyfikowane 15
Normy europejskie do lepiszczy asfaltowych Lepiszcza asfaltowe Zastosowania w drogownictwie Zastosowania przemysłowe Asfalty drogowe Asfalty drogowe twarde Asfalty modyfikowane polimerami Asfalty fluksowane i upłynnione Kationowe emulsje asfaltowe Asfalty przemysłowe Twarde asfalty przemysłowe EN 12591 EN 13924-1 Asfalty wielorodzajowe EN 13924-2 EN 14023 EN15322 EN 13808 EN 13304 EN 13305 Zastosowania przemysłowe nie są objęte mandatem M/124 Źródło: prpn-en 12597, v.2014 16
Asfalty wysokomodyfikowane Asfalty wysokomodyfikowane wg PN-EN 14023:2011/Ap1:2014-04: PMB 25/55-80 PMB 45/80-80 PMB 65/105-80 W niektórych krajach stosuje się dodatkowe oznaczenia tego typu asfaltów jako: HPB (High Polymer Bitumen) HiMA (Highly Modified Asphalt) 17
Asfalty wysokomodyfikowane Źródło: Poradnik Asfaltowy 2014 ORLEN Asfalt 18
Asfalty wysokomodyfikowane Standardowe asfalty modyfikowane zawierają 3 5% m/m polimeru, różnica wynika z wymagań dla danego rodzaju oraz stosowanej technologii. Przekroczenie progu 5% m/m przy zastosowaniu standardowych polimerów powoduje znaczące zwiększenie lepkości asfaltu modyfikowanego i kłopoty technologiczne: konieczność znacznego podniesienia temperatury podczas produkcji MMA ograniczenia w czasie transportu MMA na budowę trudności podczas rozkładania i zagęszczania MMA 19
Asfalty wysokomodyfikowane Generalnie wiadomo, że wyższa zawartość polimerów pozwala na osiągnięcie lepszych cech nawierzchni: - zwiększenie odporności na koleinowanie - zwiększenie odporności na pękanie niskotemperaturowe - zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej Asfalty wysokomodyfikowane mogą być produkowane z zastosowaniem różnych technologii, zwykle zawartość polimerów przekracza 6 7%. Asfalt+ 2,5% SBS Asfalt+ 5% SBS Asfalt+ 7,5% SBS 20
Asfalty wysokomodyfikowane Cechy charakterystyczne asfaltów wysokomodyfikowanych: bardzo dobra sprężystość (NS@25 >90%) bardzo niska temperatura łamliwości wg Fraassa wysokie górne temperatury krytyczne UCT wg Superpave niskie dolne temperatury krytyczne LCT wg Superpave bardzo dobre parametry MSCR, zarówno R jak i Jnr bardzo dobre temperatury zmęczeniowe w Superpave bardzo dobre wyniki odporności na koleinowanie bardzo dobre wyniki odporności na pękanie niskotemperaturowe TSRST bardzo dobre wyniki odporności na zmęczenie 21
Asfalty wysokomodyfikowane Odporność na koleinowanie mały aparat 60 C 10000 cykli Źródło: Asfalty wysok omodyfik owane ORBITON HiMA. Poradnik stosowania 2014/2 ORLEN Asfalt 22
Asfalty wysokomodyfikowane Odporność na pękanie niskotemperaturowe, badanie TSRST: 23 Źródło: Asfalty wysok omodyfik owane ORBITON HiMA. Poradnik stosowania 2014/2 ORLEN Asfalt
Asfalty wysokomodyfikowane Odporność na zmęczenie odkształcenie, mikrostrain trwałość nieokreślona żywotność zmęczeniowa Nf (liczba cykli do umownej granicy zniszczenia MMA) 24
Asfalty wysokomodyfikowane Odporność na zmęczenie 10 C, 10 Hz: 25
Asfalty wysokomodyfikowane Parametry techniczne asfaltów wysokomodyfikowanych potwierdzają, że jest to korzystny kierunek rozwoju tych produktów. Niemniej jednak oprócz efektów pozytywnych mogą wystąpić pewne utrudnienia praktyczne na otaczarni i na budowie, związane z wyższą lepkością lepiszcza spowodowaną większą zawartością polimerów. 26
Przykład nowej metody badawczej MSCR test asfaltów 27
MSCR test MSCR test jest badaniem stosowanym w USA od 2010 r. w ramach zmodyfikowanej metody Superpave Plus, w systemie Performance Grade. Wynik badania jest wskaźnikiem odporności nawierzchni na koleinowanie, jaka przypada z danego lepiszcza. Badanie wykonuje się zwykle w najwyższej oczekiwanej temperaturze nawierzchni dla danej warstwy. Dzięki temu możemy określić, czy w przypadku skoku temperatur w lecie (jak w 2015 r.) nawierzchnia będzie nadal odporna na koleinowanie. 28
MSCR test Wyniki badania w 64 C 29
MSCR test Wyniki badania w 70 C 30
MSCR test Klasyfikacja zbadanych asfaltów wg oceny MSCR dla 64 C Standard Heavy Very heavy Extremely heavy 20/30 E 35/50 V 50/70 S 70/100 PMB ORBITON 10/40-65 PMB ORBITON 25/55-60 PMB ORBITON 45/80-55 PMB ORBITON 45/80-65 PMB ORBITON 65/105-60 E E E E E 31
MSCR test Klasyfikacja zbadanych asfaltów wg oceny MSCR dla 70 C Standard Heavy Very heavy Extremely heavy 20/30 V 35/50 S 50/70 70/100 PMB ORBITON 10/40-65 PMB ORBITON 25/55-60 PMB ORBITON 45/80-55 PMB ORBITON 45/80-65 PMB ORBITON 65/105-60 S H E E E 32
Przykłady rozwiązań strukturalnych Nawierzchnie długowieczne Nawierzchnie na skrzyżowaniach 33
Przykład rozwiązania strukturalnego (1) Nawierzchnia typu perpetual Jest to typ konstrukcji nawierzchni opracowany w USA, z dodatkową warstwą przeciwzmęczeniową pod podbudową asfaltową. W Polsce testowany od 2009 r., wykonany w większej skali w 2014 r. Warstwa przeciwzmęczeniowa zawiera asfalt modyfikowany lub wysokomodyfikowany. 34
Przykład rozwiązania strukturalnego (2) Pogrubienie nawierzchni w strefie skrzyżowania W strefie skrzyżowania i w każdej strefie powolnego ruchu, gdzie prędkość ciężkich pojazdów spada poniżej prędkości standardowej (60 km/h), odkształcenia zmęczeniowe znacząco się zwiększają. Jest to przyczyną szybkiego zniszczenia nawierzchni, nie tylko w formie koleinowania, ale także przez pękanie zmęczeniowe. Metodami mechanistycznymi można obliczyć, o ile należy zwiększyć grubość nawierzchni, aby zrównoważyć negatywny wpływ małej prędkości pojazdów. 35
Przykład rozwiązania strukturalnego (2) Pogrubienie nawierzchni w strefie skrzyżowania Przykład obliczeń (z pracy badawczej PW, zespół prof. Nagórskiego) dla ZDW w Katowicach, 2013 36
Wnioski 37
WNIOSKI 1. Inżynieria wartości nie jest dla tych, którzy chcą stosować dotychczasowe bezpieczne rozwiązania, tzn. takie, jakie inwestor określił w specyfikacji i za które inwestor bierze odpowiedzialność. 2. Inżynieria wartości jest dla tych, którzy mają wiedzę i chcą ją rozszerzać, chcą także wykorzystywać swoje zespoły badawcze i laboratorium do nowych, nieszablonowych badań oraz metod wykonawczych i technologii. 38
WNIOSKI 3. Przekonanie inwestora o słuszności nowego rozwiązania wymaga profesjonalnego przygotowania danych przez wykonawcę. To nie zawsze będzie łatwe bo wymaga szerokich kompetencji po obydwu stronach. 4. Oczekiwane jest przygotowanie przez inwestora/zarządcę drogi procedury z zakresem oczekiwanych informacji i opisem postępowania. 5. W procedurze powinny znaleźć się zapisy o możliwości i warunkach odejścia od zapisów PFU, w tym zastosowania odpowiedniej klauzuli FIDIC. 39
WNIOSKI 6. Na rynku są materiały, które umożliwiają osiągnięcie ponadstandardowych parametrów MMA. Kwestią otwartą pozostaje, w jaki sposób zaprojektować MMA i jakie wykonać badania. 7. Koncepcje strukturalne charakteryzują się również dużym potencjałem, niemniej jednak wymagają współpracy ze specjalistami od metod mechanistycznych projektowania konstrukcji. 8. Bądźmy optymistami inżynieria wartości to duża szansa! 40
Dziękuję za uwagę! Krzysztof Błażejowski E-mail: Krzysztof.Blazejowski@orlen.pl 41