Znaczenie rozpoznania warunków klimatycznych w projektowaniu mieszanek mineralno-asfaltowych

Znaczenie rozpoznania warunków klimatycznych w projektowaniu mieszanek mineralno-asfaltowych przemysław ostrowski Eurovia Polska S.A. przemyslaw.ostrowski@ eurovia.pl jacek boratyński Eurovia Polska S.A. jacek.boratynski@ eurovia.pl Rozbudowa i utrzymanie sieci transportowych są kluczowymi czynnikami wpływającymi na poziom rozwoju gospodarczego i społecznego, dlatego coraz większe środki finansowe przeznaczane są na zapewnienie ich wysokiej jakości. W związku z tym stale prowadzone są badania, mające na celu wydłużenie czasu eksploatacji nawierzchni i zwiększenie ich trwałości przy zastosowaniu racjonalnych ekonomicznie uzasadnionych rozwiązań. Aby spełnić te wymagania stosuje się materiały, które cechuje duża wrażliwość na czynniki zewnętrzne takie jak temperatura. Obecnie dąży się do jak największego dopasowania konstrukcji nawierzchni do lokalnych warunków klimatycznych poprzez indywidualne projektowanie z wykorzystaniem metod mechanistyczno-empirycznych. oddalenie od zbiorników wodnych) oraz meteorologicznych (cyrkulacja atmosfery nad danym obszarem, transformacja powietrza wskutek procesów wymiany energii między atmosferą a podłożem). O warunkach termicznych panujących nad obszarem Polski można wnioskować przede wszystkim na podstawie średnich i skrajnych wartości temperatury powietrza. Rozkład średnich wartości temperatury w lecie (czerwiec-sierpień) przedstawia rysunek 1, w zimie (grudzień-luty) przedstawia rysunek 2. Jak wynika z rozkładu izoterm na rysunkach 1 i 2, średnie wartości temperatury w lecie i w zimie na obszarze Polski są zróżnicowane. Najniższa wartość temperatury zarówno w lecie, jak i w zimie występuje na północno-wschodnim krańcu Polski, natomiast najwyższa na krańcu południowo-zachodnim. Różnica średnich wartości temperatury w lecie wynosi 1 C, natomiast w zimie 3 C. Zróżnicowanie klimatu Polski można też zilustrować mapami z liczbą dni o danej temperaturze. Na rysunku 3 przedstawiono rozkład liczby dni upalnych (z temperaturą T max 30 C), a na rysunku 4 rozkład liczby dni bardzo mroźnych (z temperaturą T max 10 C). joanna gorol Eurovia Polska S.A. joanna.gorol@eurovia.pl Opis różnorodności warunków klimatycznych w Polsce Klimat w Polsce jest ściśle związany z klimatem całej Europy. Na klimat Europy od wschodu ma wpływ kontynent azjatycki, a od zachodu północna część Oceanu Atlantyckiego wraz z przemieszczającym się w nim Prądem Północnoatlantyckim. Ukształtowanie terenu Polski brak łańcuchów górskich o orientacji południkowej sprzyja przenikaniu się mas powietrza z zachodu i wschodu. Powietrze oceaniczne nad obszarem naszego kraju, na skutek przebytej drogi nad kontynentem, cechuje znaczna transformacja termiczno-wilgotnościowa. Dlatego klimat Polski określany jest jako klimat przejściowy, zawierający zarówno cechy klimatu morskiego, jak również kontynentalnego. Przejściowość ta wyjaśnia dużą różnorodność i zmienność stanów pogody [1]. Na konstrukcję nawierzchni drogi największy wpływ, spośród czynników meteorologicznych, ma oczywiście temperatura. Rozkład wartości temperatury w czasie i przestrzeni zależny jest od czynników geograficznych (szerokość geograficzna, wysokość nad poziomem morza, rzeźba terenu, Rys. 1. Rozkład średniej temperatury powietrza w lecie w C. Dane za lata 1971 2000 [4] 99

Rys. 2. Rozkład średniej temperatury powietrza w zimie w C. Dane za lata 1971 2000 [4] Rys. 4. Liczba dni bardzo mroźnych (Tmax 10 C). Dane za lata 1971 2000 [4] Rys. 5. Absolutne maksima na wybranych stacjach. Dane za lata 1971 2000 [4] Rys. 3. Liczba dni upalnych (Tmax 30 C). Dane za lata 1971 2000 [4] Najwięcej dni upalnych w ciągu roku (6) występuje na krańcach zachodnich Polski, natomiast najmniej (2) na krańcu północno-wschodnim. Najwięcej dni bardzo mroźnych w ciągu roku (więcej niż 4) występuje na krańcu północnowschodnim, natomiast najmniej (1) w środkowo-zachodniej części kraju. Cennym źródłem wiedzy i danych na temat stref klimatycznych Polski, przydatnych w drogownictwie, są publikacje spoza branży budownictwa komunikacyjnego. 100 Rys. 6. Absolutne minima na wybranych stacjach. Dane za lata 1971 2000 [4]

Rys. 7. Minimalne wartości temperatury przy gruncie w styczniu i lutym 2012 r. na obszarze Polski centralnej strefa 8 najniższe wartości temperatury w zakresie 12 do 7 C, strefa 9 najniższe wartości temperatury w zakresie 7 do 1 C, strefa 10 najniższe wartości temperatury w zakresie 1 do +5 C. Według rysunku 8, około 85% powierzchni naszego kraju leży w zakresie strefy 6 minimalnych wartości temperatury zimą ( 23 do 18 C), około 10% obszaru w strefie 7 ( 18 do 12 C) oraz około 5% powierzchni w zakresie strefy 5 ( 29 do 23 C). Jeszcze bardziej precyzyjny podział na strefy klimatyczne pod względem występowania niskich wartości temperatury możemy znaleźć w normie PN-EN 12831 Instalacje grzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego [7]. Zasięg stref najniższych wartości temperatury na terytorium Polski w okresie zimy bardzo precyzyjnie zobrazowany jest na mapie opublikowanej przez Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych [6]. Rysunek 8 przedstawia zakres występowania typowych w okresie zimy minimalnych wartości temperatury na obszarze Europy środkowej i środkowo-wschodniej. Strefy podzielone są na zakresy temperaturowe w sposób następujący: strefa 3 najniższe wartości temperatury w zakresie 40 do 35 C, strefa 4 najniższe wartości temperatury w zakresie 35 do 29 C, strefa 5 najniższe wartości temperatury w zakresie 29 do 23 C, strefa 6 najniższe wartości temperatury w zakresie 23 do 18 C, strefa 7 najniższe wartości temperatury w zakresie 18 do 12 C, Rys. 9. Podział terytorium Polski na strefy klimatyczne wg PN-EN 12831 [10] Ta b e l a 1. Projektowa temperatura zewnętrzna i średnia roczna temperatura zewnętrzna wg PN-EN 12831 [7] Rys. 8. Strefy niskich wartości temperatury w Europie wg Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych [[9]] Strefa klimatyczna θe C θm,e C I 16 7,7 II 18 7,9 III 20 7,6 IV 22 6,9 V 24 5,5 Mapa podziału na strefy niskich wartości temperatury (rys. 9) w bardzo dużym stopniu pokrywa się z mapą stref niskich wartości temperatury w Europie wg Departamentu Rolnictwa USA (rys. 8), natomiast zawiera węższe zakresy temperaturowe. Mając na uwadze względy ekonomiczne, w kraju o takim obszarze jak Polska, nie można projektować nawierzchni 101

drogi uwzględniając jedynie uśrednione wartości temperaturowe dla całego kraju. Przy dużych inwestycjach takich jak autostrady i drogi ekspresowe należałoby zdobyć archiwalne dane meteorologiczne z konkretnego obszaru i na ich podstawie dobrać odpowiednie materiały na nawierzchnię drogi. Należy zauważyć, że przy projektowaniu całej konstrukcji drogi, brane są pod uwagę względy klimatyczne, gdy sprawdzana jest grubość konstrukcji z warunku na głębokość przemarzania gruntu. Założenia projektowe oraz dobór materiałów do budowy nawierzchni należy opierać na danych meteorologicznych z konkretnego obszaru. Szczególną rolę odgrywa właściwe rozpoznanie przez biura projektowe lokalnych warunków klimatycznych oraz właściwa identyfikacja wymagań wobec materiałów składowych mieszanek mineralno-asfaltowych. badania były prowadzone w Warszawie, co ze względu na zwiększoną zawartość CO 2 oraz spalin w powietrzu, emisję ciepła z budynków oraz znacznie mniejszą prędkość przepływu powietrza jako czynnika chłodzącego w obszarze zabudowanym, determinowało występowanie warunków atmosferycznych charakterystycznych jedynie dla miast. Na podstawie danych zawartych w [9] można wnioskować, że średnia temperatura nawierzchni na głębokości 5 cm w zimie jest o około 1 C wyższa od temperatury powietrza (powietrze 1,9 C, nawierzchnia 0,9 C), w lecie natomiast o około 10 C wyższa (powietrze 21,2 C, nawierzchnia 31 C). Rozkład temperatury w nawierzchni Na większości dróg w Polsce są obecnie stosowane nawierzchnie asfaltowe. Doskonale wpisują się one w trend zrównoważonego budownictwa (zrównoważonego wykorzystywania materiałów). Nawierzchnie asfaltowe wykonywane są z mieszanek mineralno-asfaltowych (mma), w których około 95% (m/m) stanowi kruszywo, a około 5%(m/m) lepiszcze asfaltowe. Pomimo stosunkowo niewielkiego udziału procentowego w kompozycie mieszanki mineralno-asfaltowej, lepiszcze w znacznej mierze kształtuje właściwości fizyczne konglomeratu. Lepiszcza asfaltowe są materiałami o właściwościach reologicznych złożonych. Oznacza to, że odkształcenia są zależne od czasu trwania obciążenia i od temperatury. W wysokich wartościach temperatury dodatniej i/lub przy długotrwałym obciążeniu zachowują się jak ciecze lepkie, a przy ujemnych wartościach temperatury, lub/i przy krótkotrwałym obciążeniu, jak ciała sprężyste. Przy doborze materiałów i projektowaniu nawierzchni, przewidywana temperatura w poszczególnych warstwach konstrukcyjnych, powinna być brana pod uwagę tak samo jak przewidywane obciążenia, które będzie przenosiła nawierzchnia drogowa w okresie użytkowania. Warstwa ścieralna nawierzchni jest szczególnie narażona na oddziaływanie czynników atmosferycznych takich jak temperatura i promieniowanie słoneczne. W lecie najbardziej się nagrzewa, a w zimie narażona jest na działanie ujemnych wartości temperatury, jak również na liczne przejścia temperatury przez zero stopni Celsjusza, związane z nagrzewaniem się nawierzchni od promieniowania słonecznego w ciągu dnia. Niżej leżące warstwy konstrukcyjne muszą być przede wszystkim odporne na oddziaływanie niskich, ujemnych wartości temperatury, a w mniejszym stopniu na wysokie, dodatnie wartości temperatury. Przeprowadzone badania pozwalają uzyskać pogląd na rozkład temperatury w nawierzchni w zależności od głębokości. W 2005 r. na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad została przeprowadzona praca badawcza [9], w której badano temperaturę w nawierzchni na różnych głębokościach na przestrzeni roku. Próbki mieszanek mineralno-asfaltowych, z których była wykonana warstwa ścieralna nawierzchni były zróżnicowane pod względem typu mieszanki oraz zastosowanego kruszywa. Należy zaznaczyć, że 102 Rys. 10. Schemat rozmieszczenia termopar w nawierzchni [8] Rys. 11. Wykres temperatury nawierzchni w zimie w zależności od głębokości [ 8] Rys. 12. Wykres temperatury nawierzchni w lecie w zależności od głębokości [ 8]

W pracy dyplomowej [8] również podjęto temat rozkładu temperatury w konstrukcji nawierzchni drogi. Autorka wykonała szereg pomiarów temperatury za pomocą termopar rozmieszczonych w nawierzchni, jak przedstawiono na rys. 10 (badania były prowadzone w północno-zachodniej Polsce). Na podstawie wyników zamieszczonych w [8] sporządzono wykresy temperatury w zależności od głębokości. Rozkład temperatury w nawierzchni zimą przedstawiono na rys. 11, a w lecie na rys. 12. Na wykresach przedstawiono wartości temperatury jedynie w warstwach z mma. Na podstawie danych [8, 9] można wnioskować, że przy ujemnych wartościach temperatury powietrza, temperatura nawierzchni rośnie wraz ze wzrostem głębokości, natomiast przy dodatnich wartościach temperatury powietrza, temperatura nawierzchni spada wraz ze wzrostem głębokości. Im bardziej skrajna temperatura na wierzchu nawierzchni, tym różnica temperatury na głębokości nawierzchni jest większa. Przy temperaturze około 4 C przy powierzchni różnica na głębokości 22 cm wynosi około 3,5 C, przy temperaturze około 50 C przy powierzchni różnica na głębokości wynosi około 20 C. Należy się spodziewać, że przy skrajnie niskich wartościach temperatury w zimie (jak np. w styczniu i lutym 2012 r.), gdy temperatura przy gruncie dochodziła do 25 C, na spodzie warstwy ścieralnej temperatura mogła wynosić poniżej 20 C, natomiast na spodzie warstwy podbudowy z mma około 15 C. Temperatura badania koleinowania mma do podbudów Na podstawie danych przytoczonych powyżej, nie ma wątpliwości, że najbardziej narażoną na działanie temperatury warstwą konstrukcji drogi jest warstwa ścieralna. Warstwy leżące niżej pracują w węższym zakresie wartości temperatury. Maksymalna temperatura zmierzona w nawierzchni na głębokości 13 cm (na wierzchu warstwy podbudowy z mma) wynosiła 35 C, co wynika z rys. 13 [8]. W związku z tym wskazane byłoby dokonanie pogłębionej analizy w celu określenia temperatury badania koleinowania warstw podbudowy z mma. Na podstawie przytoczonych danych można sądzić, że obecna temperatura zalecana w WT-2 2010 60 C Rys. 13. Rozkład temperatury warstwy podbudowy z mma (na głębokości 13 cm) o godz. 17.00 [ 8] jest niepotrzebnie wyśrubowaną wartością. Dotychczasowe doświadczenia wykonawców poparte zarówno wynikami empirycznymi, jak i uzyskiwanymi na podstawie metod obliczania temperatury w nawierzchni (Bells3, Wistuby, Hermanssona) wskazują, że temperatura, w jakiej mogłoby być przeprowadzane badanie mieszanki mineralno-asfaltowej na odporność na deformacje trwałe, mogłaby być obniżona do 50 C, a nawet 45 C. Asfalty rekomendowane w WT-2 2010 Wskazówki dotyczące doboru materiałów składowych, odpowiednich typów mieszanek mineralno-asfaltowych oraz wymagania, którym powinny one odpowiadać, zebrane są w dokumencie, stanowiącym załącznik do zarządzenia nr 102 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia 19 listopada 2010 r.: Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych, WT-2 2010 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Wymagania techniczne [11]. Lepiszcza rekomendowane do warstwy podbudowy (do dróg o największym obciążeniu ruchem KR5 6) podzielone są na lepiszcza stosowane do warstw z betonu asfaltowego AC i betonu asfaltowego o wysokim module sztywności AC WMS. Do klasycznego betonu asfaltowego zalecane jest stosowanie asfaltów drogowych rodzaju 35/50, 50/70, asfaltu modyfikowanego polimerami PMB 25/55-60 lub asfaltów wielorodzajowych 35/50 i 50/70. Do warstw wykonywanych z betonu asfaltowego o wysokim module sztywności zalecany jest asfalt drogowy 20/30 lub asfalty PMB 10/40-65 albo PMB 25/55-60. Do warstw wiążącej i wyrównawczej stosowane są mieszanki mineralno-asfaltowe AC i AC WMS. Rekomendowane są do nich te same lepiszcza, co do warstwy podbudowy, za wyjątkiem asfaltu drogowego 50/70 i asfaltu wielorodzajowego 50/70. Do warstwy ścieralnej nawierzchni rekomendowane są następujące mieszanki mineralno-asfaltowe: asfalt lany (MA), beton asfaltowy (AC), SMA, BBTM i asfalt porowaty (PA). Do asfaltu lanego zalecane jest stosowanie asfaltu wielorodzajowego 35/50 lub PMB 25/55-60. Cienkie warstwy na gorąco wykonane z mieszanki mineralno-asfaltowej SMA lub BBTM mogą być produkowane z asfaltem modyfikowanym PMB 65/105-60. Natomiast do betonu asfaltowego stosuje się asfalt wielorodzajowy 35/50. Do najpowszechniej stosowanych mieszanek mineralno-asfaltowych na warstwy ścieralne przeznaczone na nawierzchnie do ruchu ciężkiego (SMA) zalecane jest stosowanie asfaltu PMB 45/80-55 lub PMB 45/80-65 [11]. Należy zauważyć, że w przepisie technicznym GDDKiA [11] wprowadzono wymaganie wobec lepiszczy do produkcji betonu asfaltowego o wysokim module sztywności AC WMS, których temperatura łamliwości wg Fraassa powinna być nie wyższa niż 5 C. Tu jednak jest nieścisłość z Polską Normą PN-EN 12591: 2010 Asfalty i lepiszcza asfaltowe. Wymagania dla asfaltów drogowych, w której asfaltowi drogowemu 20/30 nie stawia się wymagań dotyczących temperatury łamliwości wg Fraassa. Jednak asfalt 20/30 jest rekomendowany w [11] do warstw podbudowy i wiążącej z betonu asfaltowego o wysokim module sztywności. 103

Badania funkcjonalne lepiszczy wg Superpave Metody badań zalecane przez Polskie Normy do określania właściwości lepiszczy pozwalają ustalić ich właściwości tylko w poszczególnych kilku wartościach temperatury. Na tej podstawie trudno jest wnioskować o zachowaniu się lepiszcza w całym zakresie temperaturowym pracy nawierzchni. Dotychczas stosowane badania nie dostarczają również informacji o trwałości zmęczeniowej oraz o właściwościach lepiszcza poddanego starzeniu technologicznemu i eksploatacyjnemu. W 1987 r. w Stanach Zjednoczonych rozpoczęto pięcioletni program badawczy pod nazwą Strategic Highway Research Program (SHRP). Efektem prac naukowców i inżynierów było kompleksowe narzędzie do projektowania nawierzchni asfaltowych o nazwie Superpave (SUperior PERforming asphalt PAVEment). Na opracowanie i udoskonalenie Superpave rząd Stanów Zjednoczonych wydał do 1998 r. przeszło 40 mln dolarów [12]. Narzędzie Superpave zakłada projektowanie nawierzchni ze szczególnym uwzględnieniem podstawowych zniszczeń nawierzchni asfaltowych zidentyfikowanych jako: deformacje trwałe (koleiny), spękania zmęczeniowe, spękania niskotemperaturowe. Badania prowadzone podczas realizacji programu wykazały, że lepiszcze asfaltowe jest odpowiedzialne w 40% za powstawanie trwałych odkształceń lepko plastycznych, w 60% za spękania zmęczeniowe i w 90% za spękania termiczne. Superpave pozwala zaprojektować nawierzchnię asfaltową na miarę tak, że będzie dostosowana do warunków klimatycznych oraz do stopnia obciążenia ruchem występującego na danym odcinku drogi. Do danych warunków dobiera się lepiszcze o odpowiednim rodzaju funkcjonalnym PG (Performance Grade), kruszywo, oraz odpowiednie ilości poszczególnych składników w celu osiągnięcia optymalnej zawartości wolnych przestrzeni. W odróżnieniu od wymagań stosowanych wobec lepiszczy w Polsce, SHRP zaleca klasyfikację wg rodzaju funkcjonalnego PG x-y, gdzie x to najwyższa średnia 7-dniowa temperatura nawierzchni, a y najniższa temperatura nawierzchni. Przeciętna 7-dniowa temperatura wyznaczana jest do lepiszcza oryginalnego i po starzeniu technologicznym RTFOT w reometrze dynamicznego ścinania DSR. Z kolei najniższa temperatura wyznaczana jest do lepiszcza po starzeniu eksploatacyjnym PAV w reometrze zginanej belki BBR. Nawierzchnia asfaltowa w najgorętsze dni w roku może rozgrzewać się do około 50 C, co potwierdzają badania przeprowadzone w [8], natomiast w zimie, co wcześniej już przedstawiono w niniejszym artykule oraz jak wynika z Raportu [9], temperatura na powierzchni warstwy ścieralnej może spadać nawet do 40 C. Na zlecenie Eurovia Polska S.A. zostało przebadanych 7 asfaltów i 3 asfalty modyfikowane polimerami (PMB), które są zalecane w WT-2 2010 do stosowania do warstw nawierzchni asfaltowych. Rodzaje funkcjonalne określone na podstawie uzyskanych wyników dla poszczególnych lepiszczy zostały przedstawione w tabeli 2. 104 Tabela 2. Rodzaje funkcjonalne PG badanych próbek lepiszczy Rodzaj lepiszcza Rodzaj PG wg AASHTO M320-05 20/30 x PG 76-4* 20/30 y PG 82-10 35/50 z PG 76-16 50/70 y PG 64-16 70/100 x PG 58-16 100/150 x PG 52-34 160/220 x PG 52-34 PMB 25/55-60 y PG 82-10 PMB 45/80-55 y PG 76-16 PMB 10/40-65 x PG 82-4* * wartość szacowana poza wymaganiami Superpave x, y, z poszczególni producenci asfaltu Należy zauważyć, że wyniki uzyskane w ramach zlecenia Eurovia Polska S.A. pokrywają się z wynikami rodzaju funkcjonalnego PG asfaltów i asfaltów modyfikowanych polimerami (PMB), określonymi w ramach pracy badawczej wykonanej na Politechnice Warszawskiej na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad [5]. Na podstawie wyników przedstawionych w tabeli 2 można stwierdzić, że przebadane lepiszcza charakteryzują się zadowalającymi właściwościami w zakresie najwyższej średniej 7-dniowej temperatury nawierzchni określonej dla obszaru Polski, natomiast nie spełniają wymagań w zakresie minimalnej temperatury nawierzchni, określonej dla warunków klimatycznych Polski, na co również wskazywali autorzy we wnioskach płynących z pracy badawczej [5]. Wnioski W opracowywaniu wymagań technicznych, szczegółowych specyfikacji technicznych, jak również projektowaniu konstrukcji nawierzchni dróg w Polsce, należy uwzględniać specyfikę klimatu lokalnego ze szczególnym uwzględnieniem najniższych wartości temperatury w okresie zimy. Konieczne wydaje się wyspecyfikowanie odpowiednich lepiszczy asfaltowych do stosowania w zależności od stref klimatycznych występujących w Polsce. Ze względu na słabą odporność niskotemperaturową asfaltów o niskim stopniu penetracji, należy zaprzestać ich stosowania bądź ograniczyć do stosowania jedynie w aglomeracjach miejskich. Do chwili obecnej, w opracowywanych specyfikacjach technicznych na mieszanki mineralno-asfaltowe, największą uwagę przykładano do uzyskania jak największej odporności mma na koleinowanie. Tymczasem od połowy lat 90. XX wieku, na nowo wybudowanych nawierzchniach asfaltowych praktycznie nie występuje problem kolein lub występuje sporadycznie. W związku z tym wydaje się konieczne zweryfikowanie obecnie stosowanych w polskich specyfikacjach technicznych wymagań odnośnie odporności mma na koleinowanie oraz warunków badania, szczególnie temperatury badania mma do warstw wiążących i podbu-