MACIEJEWSKI Krzysztof 1 CHOMICZ-KOWALSKA Anna 2 Ocena trwałości nawierzchni drogowej z uwzględnieniem tradycyjnych i alternatywnych rozwiązań materiałowych WSTĘP Rozwój transportu samochodowego powoduje zwiększenie obciążeń działających na nawierzchnię drogową, i w konsekwencji postępującą jej degradację. Zły stan techniczny nawierzchni dróg stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa ich użytkowników. Bezpieczeństwo ruchu drogowego oraz minimalizacja oddziaływania inwestycji drogowych na środowisko stają się obecnie istotnymi czynnikami branymi pod uwagę w procesie projektowania, budowy i utrzymania infrastruktury drogowej. Podczas procesu projektowania nowych oraz przy przebudowie istniejącej sieci drogowej głównym kryterium jest bezpieczeństwo ruchu drogowego [1, 2, 12]. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz.U.1999.43.430) podaje uwarunkowania projektowe dotyczące rozwiązań geometrycznych i konstrukcyjnych oraz wymagania dla nawierzchni w zakresie równości podłużnej, równości poprzecznej i właściwości przeciwpoślizgowych bezpośrednio odpowiedzialnych za bezpieczeństwo użytkowników ruchu. Rozporządzenie to określa warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne przy zachowaniu przepisów Prawa budowlanego, przepisów o drogach publicznych, a także ustaleń Polskich norm a w szczególności podstawowych wymagań dotyczących [11]: bezpieczeństwa użytkowania, nośności i stateczności konstrukcji, bezpieczeństwa z uwagi na możliwość wystąpienia pożaru lub innego miejscowego zagrożenia, ochrony środowiska, ze szczególnym uwzględnieniem ochrony przed nadmiernym hałasem, wibracjami, zanieczyszczeniami powietrza, wody i gleby. Niewłaściwie zaprojektowane bądź dobrane typowe rozwiązanie konstrukcyjne nawierzchni stwarza ryzyko powstawania przedwczesnych uszkodzeń, co bezpośrednio wiąże się z obniżeniem bezpieczeństwa i komfortu jazdy. Natomiast konstrukcja drogowa uwzględniająca przewidywane obciążenie ruchem oraz rzeczywiste właściwości zastosowanych materiałów pozwala zapewnić bezpieczeństwo i prawidłowy stan techniczny nawierzchni oraz jej długoletnią eksploatację. Obserwowany w ostatnich latach postęp w zakresie stosowanych w budowie dróg rozwiązań materiałowych [6-8] oraz rozwój metod i technik badawczych pozwala na wszechstronne badania i analizy właściwości zarówno materiałów wyjściowych jak i surowców, wykraczające znacznie poza standardowe wymagania. Sytuacja ta stwarza możliwości dla dostosowania cech użytkowych i technicznych materiałów drogowych do wzrastających wymagań eksploatacyjnych czego efektem powinna być wyraźna poprawa trwałości i bezpieczeństwa przyszłych inwestycji drogowych. Wspomniane możliwości w zakresie metod badawczych pozwalają na wykorzystanie w konstrukcji nawierzchni materiałów odpadowych różnego pochodzenia z którymi projektanci i wykonawcy nie mieli do tej pory do czynienia, bądź których wykorzystanie wiązało się z poważnymi wątpliwościami. Wykorzystywane w drogownictwie odpady przemysłowe, określane również jako uboczne produkty przemysłowe lub materiały alternatywne [3], powstają przede wszystkim w przemyśle wydobywczym i w procesach przeróbki kopalin (różnego rodzaju odpady mineralne), w energetyce (uboczne produkty spalania) oraz w metalurgii (żużle hutnicze). Materiały te, aby mogły być 1 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury, kmaciejewski@tu.kielce.pl 2 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury, a.kowalska@tu.kielce.pl 6936
wykorzystane w budownictwie, muszą spełniać wymagania środowiskowe oraz stawiane im warunki techniczne [5]. Szczególnym rodzajem odpadów są materiały pozyskiwane z rozbiórki różnego rodzaju konstrukcji budowlanych bądź pochodzące z recyklingu materiałów uprzednio zastosowanych w warstwach konstrukcyjnych nawierzchni drogowej. Takimi surowcami są między innymi destrukt asfaltowy oraz materiały mineralne stanowiące produkt uboczny powstający podczas procesu produkcji kruszywa. Szczególnie zastosowanie destruktu asfaltowego często jest źródłem obaw co do wpływu tego materiału na końcowe parametry mieszanki mineralno-asfaltowej (MMA), co ma odzwierciedlenie w ograniczeniach w jego stosowaniu w wymaganiach technicznych [WT2-2008, WT2-2010 i 2014 [5]. Nie mniej jednak wprowadzanie do wykonawstwa tego typu alternatywnych materiałów niesie ze sobą perspektywy znacznych oszczędności kruszywa i lepiszczy asfaltowych. Zwrócenie się ku tego typu materiałom jest korzystne nie tylko ze względu na potrzebę ochrony zasobów naturalnych, ale również ze względu na dążenie do obniżenia kosztów robót drogowych co w obecnych czasach jest kwestią niezwykle ważną. 1 WŁAŚCIWOŚCI STOSOWANYCH MATERIAŁÓW Przy produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych wykorzystywane są głównie nowe materiały (kruszywo mineralne, asfalty drogowego), których cena jest wysoka ze względu na energię potrzebną do ich pozyskania, przetworzenia a następnie przetransportowania na znaczne odległości. Stosowanie rozwiązania materiałowego opartego o dobór nowych surowców mineralnych oraz lepiszczy asfaltowych pozwala z dużą rezerwą założyć, że zarówno zaprojektowana MMA jak i wbudowana warstwa asfaltowa spełniać będzie założone wymagania. Natomiast wprowadzanie alternatywnych rozwiązań materiałowych (np.: lokalnych odpadów przemysłowych) w składzie mieszanki mineralnoasfaltowej jest procesem bardziej skomplikowanym ze względu na konieczność spełnienia również wszystkich wymagań przez powstały materiał w świetle obowiązujących w naszym kraju norm, wytycznych i dokumentów technicznych w zakresie zapewnienia odporności na destrukcyjne czynniki ruchowe i klimatyczne (tj. oddziaływanie wody i mrozu oraz odporności na powstawanie kolein w wyniku oddziaływania wysokich temperatur w okresie letnim). Przedmiotem prac badawczych było wykazanie możliwości zastosowania materiałów alternatywnych w składzie mieszanki mineralno-asfaltowej z uwzględnieniem spełnienia założonych wymagań w odniesieniu do wytycznych WT-2 2010 [16]. W tym celu do badań laboratoryjnych wytypowano następujące surowce: piasek łamany (materiał A) materiał mineralny powstały jako produkt uboczny (odpadowy) w procesie technologicznym wytwarzania kruszywa wapiennego, granulat asfaltowy stanowiący przetworzony destrukt asfaltowy pozyskany podczas frezowania zużytych, istniejących warstw asfaltowych z nawierzchni drogowej. Stosowane w badaniach surowce odpadowe występują na składowiskach zakładów przemysłowych i przedsiębiorstw drogowych, w związku z tym koszt ich zakupu jest niewielki, a wykorzystanie ich w budownictwie drogowym pozwoli na obniżenie ceny produktu finalnego (MMA) zmniejszając jednocześnie ingerencję w środowisko poprzez ograniczenie zużywania nowych kruszyw naturalnych oraz lepiszczy asfaltowych. 1.1 Materiał A piasek łamany Wykorzystany w badaniach piasek łamany to materiał mineralny powstały w zakładzie przemysłowym jako produkt uboczny (odpadowy) w procesie technologicznym wytwarzania kruszywa wapiennego. Oznaczono następujące właściwości materiału A: uziarnienie według PN-EN 933-1:2012 (tabela 1), gęstość ziarn według PN-EN 1097-6:2013 (tabela 1), zawartość pyłów wg PN-EN 933-1:2012, jakość pyłów według PN-EN 933-9:2013. 6937
Tab. 1. Skład granulometryczny materiału A Wymiar sita [mm] 5,6 4 2 1 0,5 0,25 0,25 0,063 < 0,063 Pozostaje na sicie [%] 0 0,2 1,4 8,1 21 27 26,9 8,6 6,8 Do oceny jakości pyłów mineralnych (ilości minerałów ilastych) w badanym materiale wykorzystano wskaźnik błękitu metylenowego (MB F ). Ustalono zawartość części ilastych na poziomie MB F = 2,1. Na podstawie oceny organoleptycznej analizowanej próbki nie stwierdzono występowania zanieczyszczeń organicznych, zanieczyszczeń obcych ani grudek gliny, które mogłyby dyskwalifikować go do dalszych badań i stosowania go w składzie MMA. Z przeprowadzonych badań wynika, iż stosowany w badaniach materiał o uziarnieniu 0/2 mm, o gęstości objętościowej ziarn ρ a = 2,650 Mg/m 3, z zawartością 6,8% pyłów, spełnia wymagane właściwości wg WT-1 2010 [14] jak dla kruszywa łamanego i niełamanego drobnego do warstwy podbudowy i wiążącej nawierzchni obciążonej ruchem od KR1 do KR4. 1.2 Materiał B destrukt asfaltowy Destrukt asfaltowy uzyskuje się poprzez frezowanie zniszczonych i zużytych asfaltowych warstw konstrukcyjnych nawierzchni, ma skład bardzo zbliżony do składu mieszanki mineralno-asfaltowej. W związku z tym, w procesie frezowania nawierzchni otrzymuje się luźny materiał w postaci różnej wielkości ziarn, stanowiących trudny do rozdzielenia kompozyt mineralno-asfaltowy. Ponieważ destrukt asfaltowy jest materiałem potencjalnie niebezpiecznym dla środowiska, został sklasyfikowany w Ustawie z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach [13] jako odpad z podziałem na destrukt zawierający smołę lub jej niezawierający, odpowiednio z kodem 17 03 01 lub 17 03 02. Ziarna mineralne i asfalt w destrukcie są silnie związane, co czyni ten odpad trudnym do zagospodarowania w innych gałęziach gospodarki. Dąży się zatem do ponownego wykorzystania tego materiału w mieszankach mineralno-asfaltowych, co pozwala zmniejszyć zużycie nowych kruszyw i lepiszczy asfaltowych [10]. Obecność destruktu w składzie nowych MMA umożliwia zmniejszenie zużycia nowego lepiszcza i kruszywa prowadząc w konsekwencji do uzyskania korzyści finansowych i środowiskowych. Granulat asfaltowy (rozdrobniony i posortowany destrukt) może być wykorzystywany do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych, jeżeli spełnione są wymagania dotyczące końcowego wyrobu mieszanki mineralno-asfaltowej z jego udziałem [16]. W badaniach laboratoryjnych stosowano granulat asfaltowy (16 RA 0/8) pozyskany z frezowania warstwy ścieralnej z betonu asfaltowego spełniający wymagania normy PN-EN 13108-8:2008 oraz wytycznych WT-2 2010 [16]. W tablicy 2 zestawiono wyniki oznaczenia składu ziarnowego badanego granulatu asfaltowego. Średnia wartość lepiszcza rozpuszczalnego oznaczona zgodnie z PN-EN 12697-1:2012 w granulacie asfaltowym wynosiła 5,2%. Tab. 2. Skład granulometryczny materiału B Wymiar sita [mm] 16 11,2 8 5,6 4 2 1 0,5 0,25 0,125 0,063 < 0,063 Pozostaje na sicie [%] 0 1,5 4 8,2 11,4 17 11,9 10,7 14 6,2 2,4 12,7 2 PROJEKT MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH Wykonane prace dotyczyły projektowania składu mieszanek mineralno-asfaltowych kontrolnych (na bazie nowych materiałów) oraz doświadczalnych (z udziałem materiałów odpadowych) na warstwę wiążącą oraz warstwę podbudowy nawierzchni obciążonej ruchem KR1-KR2 oraz KR3- KR4. Ponadto, analogicznie do mieszanek kontrolnych zaprojektowano mieszankę na warstwę ścieralną. W celu zapewnienia możliwości produkcji przedmiotowych MMA na wytwórni mieszanek asfaltowych, receptury opracowywano w sposób praktyczny - umożliwiający dozowanie jak najmniejszej ilości składników mineralnych, zastępując wybrane frakcje materiałów mineralnych. 6938
W składzie zaprojektowanych mieszanek mineralno-asfaltowych wykorzystane były przede wszystkim kruszywa dostępne w regionie świętokrzyskim: wapienie i kwarcyty. Wapienie stosowano do wszystkich mieszanek (na warstwę ścieralną, wiążącą i podbudowy) dla kategorii obciążenia ruchem KR1-KR2, natomiast w mieszankach przeznaczonych na wyższe kategorie ruchu (KR3-KR4) zaszła konieczność stosowania kwarcytów w celu uzyskania przez MMA wymaganej odporności na koleinowanie. Ponieważ udział kruszywa kwarcytowego w składzie mieszanki z uwagi na jego kwaśny charakter prowadzi do obniżenia adhezji lepiszcza do kruszywa, co skutkuje obniżeniem odporności MMA na oddziaływanie wody, zaistniała konieczność wprowadzenia do projektowanych mieszanek dodatkowo kruszywa diabazowego z regionu małopolskiego (tabela 3). W odniesieniu do nowych surowców mineralnych stwierdzono, iż badane materiały spełniają wymagania w odniesieniu do normy PN-EN 13043:2004 oraz zgodnie z Wymaganiami technicznymi WT-1 2010 [14]. Tab. 3. Skład ramowy mieszanek kontrolnych i doświadczalnych Skład mieszanek mineralnych Skład mieszanek mineralnych Kategoria Symbol (MM) kontrolnych doświadczalnych obciążenia mieszanki ruchem Frakcja Frakcja KR1 KR2 KR3 KR4 AC 11S AC 16W AC 22P AC 11S AC 16W Udział w MM Rodzaj skały* 73% W dodany; 0/4; 2/8; 5,6/11,2 27% Piasek naturalny płukany 77% W dodany; 0/4; 2/8; 8/16; 23% Piasek naturalny płukany 90% W AC 22P 100% W * W- wapień, K kwarcyt, D diabaz dodany; 0/2; 0/4; 2/8; 8/16; 16/22,4; 10% Piasek naturalny płukany 25% W dodany; 0/2; 18% K 0/2; 57% D 2/5; 5/11; 57% W dodany; 2/8, 8/16; 16/22,4; 43% K 0/2; 16/22,4; dodany; 0/2; 2/8; 8/16; 16/22,4; Udział w MM Rodzaj skały* 67% W 23% materiał A 10% materiał B 67% W 23% materiał A 10% materiał B 47% W Uwagi nd. - dodany; 0/4; 2/8; 8/16; dodany; 0/4; 2/8; 8/16; 16/22,4; mat. A - zamiana 23% piasku naturalnego; mat. B - redukcja dozowania kruszywa 2/8 o 8% i a o 2% mat. A - zamiana piasku naturalnego i łamanego 0/2; mat. B - redukcja dozowania kruszywa 2/8 o 7% i a o 3% nd. - dodany; 2/8, 8/16; 23% K 0/2; 16/22,4; 20% materiał A 10% materiał B 70% W dodany, 0/2, 2/8, 8/16, 16/22,4; 20% materiał A 10% materiał B mat. A redukcja dozowania kwarcytu 0/2 o 20% (pozostaje 13%); mat. B - redukcja dozowania kruszywa 2/8 o 7% i a o 3% mat. A - zamiana kruszywa 0/2; mat. B - redukcja dozowania kruszywa 2/8 o 7% i a o 3% 6939
Projektując mieszanki kontrolne i doświadczalne starano się dobrać ich składy tak, aby były do siebie zbliżone, umożliwiając ocenę porównawczą wpływu obecności materiałów odpadowych na właściwości wytworzonych MMA. W przypadku występowania kruszyw kwaśnych w składzie mieszanki betonu asfaltowego stosowano środek adhezyjny w ilości 0,3% względem masy asfaltu. W tablicy 3 zestawiono rodzaje i zawartości lepiszcza asfaltowego zadozowanego do mieszanek mineralno-asfaltowych, natomiast w tablicy 4 zamieszczono składy ramowe mieszanek mineralnych (MM) oraz sposób zamiany surowców mineralnych materiałami odpadowymi. Materiał odpadowy A dozowany był do mieszanek doświadczalnych w maksymalnej ilości 23% w odniesieniu do mieszanki mineralnej. Zastosowanie tego materiału pozwoliło na redukcję lub nawet całkowite wyeliminowanie w stosowaniu piasku łamanego i niełamanego 0/2 mm w składzie MM. Tab. 4. Zawartość asfaltu w mieszankach mineralno-asfaltowych Mieszanka AC 11S AC 16W AC 22P Kategoria ruchu KR1 - KR2 KR3 - KR4 KR1 - KR2 KR3 - KR4 KR1 - KR2 KR3 - KR4 Kontrolna/ Doświadczalna K K K D K D K D K D Ilość nowego lepiszcza [%] 5,8 * 5,6 * 4,6 * 4,1 * 4,6 ** 4,1 ** 4,2 * 3,7 * 4,0 ** 3,5 ** * asfalt 50/70, ** asfalt 35/50 Granulat asfaltowy dozowano do mieszanek betonu asfaltowego metodą na zimno w ilości 10% do warstwy wiążącej i podbudowy. W związku z tym, w świetle wymagań zawartych w WT-2 2010 [16] nie jest konieczne wykazanie rodzaju i właściwości lepiszcza w jego składzie. Wykluczenie stosowania granulatu w mieszankach przeznaczonych na warstwę ścieralną podyktowane było faktem, iż zgodnie aktualnymi Wytycznymi Technicznymi z dnia 25 września 2014 roku [17] granulat asfaltowy może być stosowany jedynie w mieszankach mineralno-asfaltowych typu AC, z wyłączeniem warstwy ścieralnej i mieszanek typu AC WMS. Wprowadzenie do MMA granulatu asfaltowego pozwoliło na zmniejszenie dozowania nowych kruszyw frakcji 0/8 mm oraz a dodanego (mączki wapiennej). Co więcej, aby w mieszankach doświadczalnych zachować ilość lepiszcza asfaltowego na niezmienionym poziomie względem mieszanek kontrolnych, zredukowano ilość dozowanego nowego asfaltu o 0,5% (tabela 4). 3 WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Niszczące oddziaływanie wody i mrozu jest jednym z głównych powodów przedwczesnej degradacji nawierzchni asfaltowej wymuszając na zarządach dróg przeprowadzanie nieplanowanych prac remontowych. Mechanizm powstawania tych uszkodzeń polega na odmywaniu asfaltu z powierzchni kruszywa, co sprzyja odrywaniu się ziaren kruszywa, łuszczeniu i rozluźnieniu się MMA a w konsekwencji przyczyniając się do powstania zniszczeń występujących w postaci nieregularnych spękań lub deformacji, co prowadzi do całkowitej degradacji nawierzchni. Ponadto, dla trwałości nawierzchni szczególnie istotnym parametrem jest również jej odporność na deformacje trwałe wywołane działaniem obciążeń dynamicznych od kół poruszających się pojazdów. Cecha ta jest ważna nie tylko przy wykonywaniu nowych konstrukcji, ale także przy realizacji remontów już istniejących nawierzchni drogowych, które pozostają przez długi okres eksploatacji w stanie pełnego obciążenia oraz mogą być poddawane wielu przemiennym cyklom obciążania i odciążania wywołanym dynamiką ruchu pojazdów. W związku z powyższym, zakres badań laboratoryjnych na zaprojektowanych MMA obejmował ocenę podstawowych parametrów, w tym odporności na działanie wody i mrozu oraz odporności na deformacje trwałe. Oznaczono następujące właściwości: zawartość wolnych przestrzeni (V a, wg PN-EN 12697-8:2005), moduł sztywności w schemacie pośredniego rozciągania w temperaturze 13ºC (wg PN-EN 12697-26:2012, załącznik C), odporność na działanie wody i mrozu (wskaźnik ITSR, wg Wymagań Technicznych WT-2 2010 r. oraz wg PN-EN 12697-12:2008), 6940
badanie koleinowania w temperaturze 60ºC w koleinomierzu małym, metoda B (maksymalny przyrost koleiny WTS AIR, wg PN-EN 12697-22:2008). W tablicy 5 zestawiono wyniki badań zaprojektowanych mieszanek kontrolnych i doświadczalnych. Tab. 5. Wyniki badań mieszanek mineralno-asfaltowych Typ i wymiar MMA AC 11S AC 16W AC 22P Kategoria ruchu KR1 - KR2 KR3 - KR4 KR1 - KR2 KR3 - KR4 KR1 - KR2 KR3 - KR4 Kontrolna/ Doświadczalna K K K D K D K D K D V a [%] 1,74 3,70 3,47 3,22 5,80 5,40 5,33 5,25 5,40 5,20 ITSM [MPa] 5361 5855 7068 8061 8641 8674 6958 9787 8482 9222 ITSR [%] 93,6 91,8 82,2 81,6 82,4 85,5 82,3 82,4 79,6 78,2 WTS AIR [mm/10 3 cykli] Wymagania - 0,18 - - 0,14 0,12 - - 0,35 0,21 V a: 1-3 [%] V a: 2-4 [%] V a: 3-6 [%] V a: 4-7 [%] V a: 4-8 [%] V a: 4-7 [%] ITSR 90 WTS AIR0,5 ITSR 80 WTS AIR0,3 ITSR 70 WTS AIR1,0 Oceniając wyniki badań zamieszczone w tablicy 5 zauważyć można, że wszystkie zaprojektowane mieszanki kontrolne i doświadczalne spełniły wymagania stawiane przez Wytyczne Techniczne WT-2 2010. Co więcej, zastosowanie materiałów odpadowych w badanych mieszankach nie wpłynęło znacząco na pogorszenie ich właściwości. Wszystkie mieszanki doświadczalne charakteryzowały się mniejszą zawartością wolnych przestrzeni niż próby kontrolne, a tym samym lepszym zagęszczeniem, co nie miało jednak generalnie przełożenia na wyniki odporności na działanie wody i mrozu. Chociaż mieszanka doświadczalna AC 16W KR3-KR4 zanotowała poprawę parametru ITSR, to zmiana ta wynika ze zmiany składu ziarnowego, tj. redukcji zawartości skał kwarcytowych w składzie MM przy jednoczesnym dozowaniu środka adhezyjnego w niezmienionej ilości a nie wprost z pozytywnego wpływu stosowania materiałów odpadowych. W pozostałych przypadkach zmiany tego parametru były nieznaczne, a jego pogorszenie zanotowano w mieszankach AC 16W KR1-KR2 oraz AC 22P KR3- KR4. Wprowadzenie przedmiotowych materiałów odpadowych do składu MMA okazało się mieć istotny, pozytywny wpływ na parametry mechaniczne mieszanek. W każdym przypadku próby doświadczalne uzyskały wyższe wartości modułów sztywności w pośrednim rozciąganiu, przy czym dla mieszanki AC 16W KR3-KR4 wzrost ten był najmniejszy i niemal niezauważalny. Dla mieszanek na warstwę wiążącą i podbudowy dla kategorii ruchu KR3-KR4 oznaczono również maksymalny przyrost koleiny w badaniu koleinowania, co utożsamiane jest z odpornością materiału na deformacje trwałe. Również dla tego parametru zanotowano poprawę po włączeniu do składu MMA badanych materiałów odpadowych. Wpływ na zaistniałą sytuację mógł mieć rodzaj lepiszcza w granulacie asfaltowym pozyskanym z selektywnego frezowania warstwy ścieralnej, bezpośrednio narażonej na proces starzenia, w wyniku czego zjawisko to wpłynęło bezpośrednio na usztywnienie MMA i w związku z tym na poprawę odporności na koleinowanie. Wykonane prace badawcze ujawniły, iż wprowadzenie do składu MMA granulatu asfaltowego oraz piasku odpadowego nie wpłynęło istotnie na pogorszenie parametrów zaprojektowanych mieszanek, w związku z czym możliwe jest zastąpienie wybranych nowych surowców mineralnych pełnowartościowymi materiałami odpadowymi prowadząc w ten sposób do obniżenia ingerencji w środowisko naturalne poprzez ochronę zasobów naturalnych (kruszyw mineralnych) oraz obniżając cenę produktu finalnego (MMA). Należy dodać, iż dla mieszanek doświadczalnych przeznaczonych na warstwę wiążącą i podbudowy sumaryczna ilość materiałów mineralnych zastąpionych 6941
materiałami odpadowymi wyniosła 30% i 33% odpowiednio dla ruchu KR3-KR4 i KR1-KR2, natomiast ilość zadozowanego asfaltu zredukowano o 0,5% z uwagi na obecność granulatu asfaltowego. 4 OBLICZENIA TRWAŁOŚCI KONSTURKCJI NAWIERZCHNI Z UDZIAŁEM MATERIAŁÓW ODPADOWYCH Dla wykazania praktycznego wpływu zastosowania materiałów odpadowych w badanych MMA przeprowadzono procedurę indywidualnego projektowania konstrukcji nawierzchni z wykorzystaniem metody mechanistycznej. Jako wyjściowe rozwiązania konstrukcyjne do obliczeń trwałości przyjęto konstrukcje nawierzchni typu B wg Katalogu typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych [4] w zakresie obciążenia ruchem od KR1 do KR4. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych [11], przy indywidualnym projektowaniu konstrukcji nawierzchni zaleca się stosowanie metod mechanistycznych z wykorzystaniem obliczenia naprężeń i odkształceń w nawierzchni według teorii wielowarstwowej półprzestrzeni sprężystej lub lepkosprężystej. Konstrukcje podatne z podbudową z kruszywa łamanego stabilizowanego mechanicznie lub podbudową z mieszanki mineralno-asfaltowej powinny być projektowane z zastosowaniem kryteriów zmęczeniowych warstw asfaltowych i deformacji podłoża oraz warstw z materiałów niezwiązanych [11]. W polskiej praktyce inżynierskiej najczęściej stosuje się kryteria Instytutu Asfaltowego dla oszacowania wystąpienia spękań zmęczeniowych warstw asfaltowych (wzory 1-3) oraz wystąpienia kolein strukturalnych (wzór 4) [9]: N asf = 18,4 C (6,167 10-5 ε -3,291 r E* -0,854 ) (1) C = 10 M (2) M = 4,84 (V b / (V b + V a ) 0,69) (3) ε p = k(1/n p ) m (4) gdzie: N asf liczba obciążeń do wystąpienia spękań zmęczeniowych na 20% powierzchni nawierzchni, ε r odkształcenia rozciągające występujące w spodzie warstw asfaltowych, E* - moduł dynamiczny warstwy asfaltowej, V b zawartość objętościowa asfaltu (%), V a zawartość wolnych przestrzeni (%), ε p pionowe odkształcenia ściskające na górnej powierzchni podłoża gruntowego, k=1,05 10-2, m = 0,223 (współczynniki wg Chevrona), N p liczba obciążeń do wystąpienia krytycznej deformacji strukturalnej w nawierzchni (12,5mm). Do obliczeń trwałości zmęczeniowej konstrukcji przyjęto układ warstw zgodnie z zaleceniami Katalogu typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych [4] z warstwą ścieralną, wiażącą i podbudowy zasadniczej wykonanej z MMA typu AC (betonu asfaltowego), których wyniki badań zostały przedstawione w pkt. 3 (mieszanki kontrolne i doświadczalne o modułach badanych w temperaturze równoważnej +13ºC) oraz obciążenie zastępczą osią obliczeniową 100 kn przy ciśnieniu kontaktowym 850 kpa. Grubości poszczególnych warstw dobrane zostały z uwzględnieniem typu i wymiaru mieszanki mineralno-asfaltowej zgodnie z zaleceniami podanymi w WT-2 2008 (pkt. 8.7.1) [15]. Punktem wyjściowym dla obliczeń były typowe konstrukcje nawierzchni dla kategorii ruchu KR2 oraz KR4, dla której możliwe było wykonanie optymalizacji przez redukcję grubości warstwy podbudowy. Zastosowanie materiałów odpadowych w przedmiotowych mieszankach wpłynęło pozytywnie na obliczone trwałości zmęczeniowe wszystkich zaprojektowanych konstrukcji nawierzchni. Większe wartości modułów sztywności mieszanek przyczyniły się do zmniejszenia odkształceń rozciągająceych w spodzie warstw asfaltowych oraz odkształceń pionowych w podłożu gruntowym wpływając tym samym na trwałość całej konstrukcji. Do uzyskania korzystniejszych wyników w tym 6942
zakresie przyczyniły się również mniejsze zawartości wolnych przestrzeni w warstwie podbudowy z mieszanki doświadczalnej. Tab. 6. Wyniki obliczeń trwałości zmęczeniowej dla nawierzchni obciążonej ruchem KR2 KR2 Mieszanki kontrolne Mieszanki doświadczalne 0,09-0,5 mln osi Grubość warstwy Moduł sztywności Grubość warstwy Moduł sztywności obliczeniowych 100 kn [cm] [MPa] [cm] [MPa] Warstwa ścieralna AC 11 S 4 5300 4 5300 Warstwa wiążąca AC16 W 6 7000 6 8000 Podbudowa zasadnicza AC 22 P 8 6900 8 9700 Podłoże gruntowe - 80-80 ε r 1,71 10-4 1,40 10-4 ε p 6,10 10-4 5,30 10-4 N asf [osie obl. 100 kn] 1 219 450 2 146 232 N p [osie obl. 100 kn] 349 340 652 058 W przypadku nawierzchni obciążonej ruchem KR2 (tablica 6), zastosowanie materiałów odpadowych pozwoliło wydłużyć trwałość zmęczeniową nawierzchni do poziomu przekraczającego górną granicę liczby osi obliczeniowych odpowiadajacych założonej kategorii (KR2). Analogiczna konstrukcja wykonana z mieszanek kontrolnych nie mogłaby być stosowana gdy prognozowany ruch przekraczałby 0,35 mln osi obliczeniowych. Tab. 7. Wyniki obliczeń trwałości zmęczeniowej dla nawierzchni obciążonej ruchem KR4 Mieszanki kontrolne Mieszanki doświadczalne KR4 2,5-7,4 mln osi Grubość Moduł Grubość Grubość Moduł Moduł obliczeniowych 100 kn warstwy sztywności warstwy warstwy sztywności [MPa] sztywności [MPa] [cm] [MPa] [cm] [cm] Warstwa ścieralna AC 11 S 4 5800 4 5800 4 5800 Warstwa wiążąca AC16 W 8 8600 8 8600 8 8600 Podbudowa zasadnicza AC 22 P 14 8400 14 9200 12 9200 Podłoże gruntowe - 100-100 - 100 ε r 7,95 10-5 7,53 10-5 8,61 10-5 ε p 2,67 10-4 2,58 10-4 2,98 10-4 N asf [osie obl.100 kn] 11 161 024 13 488 322 8 680 822 N p [osie obl. 100 kn] 14 158 674 16 598 419 8 690 812 Obliczona trwałość konstrukcji nawierzchni przewidzianej na kategorię ruchu KR4 wykonanej z mieszanek kontrolnych, szacowana na 11 mln osi obliczeniowych, pozycjonuje ją już w kategorii obciążenia ruchem KR5, a wprowadzenie materiałów odpadowych do MMA spowodowało dalszą poprawę przewidywanej trwałości do 13,5 mln osi obliczeniowych. W związku z tym zaistniała możliwość optymalizacji projektu poprzez zmniejszenie grubości warstw konstrukcyjnych. Redukcji grubości poddano warstwę podbudowy zasadniczej z 14 cm do 12 cm, uzyskując szacowaną trwałość tej konstrukcji na poziomie ponad 8,6 mln osi obliczeniowych. WNIOSKI Przedmiotem badań była analiza wpływu zastosowania materiałów odpadowych w składzie MMA wykonywanych w technologii na gorąco: materiału mineralnego powstałego w zakładzie 6943
przemysłowym stanowiącego produkt uboczny w procesie technologicznym wytwarzania kruszywa wapiennego oraz granulatu asfaltowego pozyskanego ze zużytej, istniejącej warstwy ścieralnej nawierzchni asfaltowej. Zastosowanie wspomnianych materiałów możliwe było z uwagi na spełnienie przez nie założonych wymagań. Materiał mineralny o uziarnieniu 0/2 mm odpowiadał wymaganiom jak dla kruszywa łamanego i niełamanego drobnego do warstwy podbudowy i wiążącej nawierzchni obciążonej ruchem od KR1 do KR4 zgodnie z WT-1 2010, natomiast granulat asfaltowy (16 RA 0/8) spełniał wymagania PN-EN 13108-8:2008 oraz wytycznych WT-2 2010. Mieszanki betonu asfaltowego zawierające przedmiotowe materiały alternatywne charakteryzowały się lepszym zagęszczeniem w stosunku do prób kontrolnych, ale nieznacznemu pogorszeniu uległa ich odporność na działanie wody i mrozu. Rozpatrując cechy mechaniczne MMA, nastąpiła poprawa modułu sztywności w pośrednim rozciąganiu i odporności na deformacje trwałe spowodowane wprowadzeniem granulatu asfaltowego zawierającego zestarzały asfalt oraz redukcję zawartości kruszyw kwaśnych. Konsekwencją powyższych zależności była zwiększona obliczona trwałość zmęczeniowa konstrukcji nawierzchni zawierających w swoim składzie materiały odpadowe, co w przypadku nawierzchni obciążonej ruchem kategorii KR4 pozwoliło zmniejszyć grubość wartwy podbudowy o 2 cm. Stosowanie badanych materiałów odpadowych niesie ze sobą dodatkowo szereg korzyści ekonomicznych poprzez ograniczenie w dozowaniu wybranych frakcji materiałów mineralnych oraz nowego lepiszcza asfaltowego. Co więcej, wykorzystanie opisywanych surowców przyczynia się do ochrony środowiska naturalnego poprzez ograniczenie wydobycia kruszyw, redukcję ilości energii potrzebnej do pozyskania, przetworzenia i tranosportu materiałów do budowy dróg oraz zmniejszenia powierzchni składowisk materiałów odpadowych. Należy dodać, iż odpad przemysłowy poddany obróbce spełniający wymagane parametry określone w normie staje się pełnowartościowy produktem, zwalniając wykonawców robót, inwestorów oraz administrację drogową od utrudnień związanych z obrotem tymi materiałami i ich stosowaniem [5]. Streszczenie Przedmiotem artykułu jest ocena wpływu zastosowania materiałów odpadowych (piasku łamanego powstającego jako produkt uboczny w procesie produkcji kruszywa w zakładzie produkcji kruszyw mineralnych oraz granulatu asfaltowego) w produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych w technologii na gorąco. W pierwszej kolejności wykonano podstawowe badania wymienionych materiałów odpadowych stwierdzające możliwość ich stosowania w MMA. Następnie, na zaprojektowanych mieszankach kontrolnych oraz doświadczalnych wykonano oznaczenia zawartości wolnej przestrzeni, odporności na działanie wody i mrozu, odporności na deformacje trwałe oraz modułu sztywności. W oparciu o uzyskane wyniki przedstawiono analizy obliczeń trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni drogowej wykonanej z materiałów tradycyjnych oraz z wykorzystaniem alternatywnych rozwiązań materiałowych. Przedstawiono możliwość zastosowania surowców alternatywnych w składzie mieszanek mineralno-asfaltowych oraz związaną z tym propozycję zmian grubości warstw konstrukcyjnych z uwzględnieniem wymaganej trwałości. Estimation of road pavement durability in scope of conventional and alternative material solutions Abstract In this paper authors attempted to assess the impact of introducing simultaneously two waste materials (a byproduct broken sand from aggregate production at a mine and granulated asphalt) to hot mix asphalt. First, the basic properties of the waste materials were established allowing their further use in HMA. Then, the designed control and experimental mineral-bitumen mixtures were tested for air void content, resistance to moisture and frost damage, resistance to permanent deformation and their resilient moduli. Durability calculations of pavements containing control and experimental mixes were carried out based on the test results. The test results and the estimation of pavement fatigue life showed a promising possibility for utilizing the described waste materials in mineral-bitumen mixes. 6944
Artykuł współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Przedstawione badania stanowią rozszerzenie prac badawczych przeprowadzonych podczas indywidualnego stażu w trakcie realizacji projektu Inwencja II Transfer wiedzy, technologii i innowacji wsparciem dla kluczowych specjalizacji świętokrzyskiej gospodarki i konkurencyjności przedsiębiorstw. Wyniki badań mogą być udostępniane przedsiębiorstwom. BIBLIOGRAFIA 1. Datka S., Inżynieria ruchu. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1997. 2. Gaca S., Suchorzewski W., Tracz M., Inżynieria ruchu drogowego, Teoria i praktyka. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2009. 3. Gawlicki M., Małolepszy J., Wykorzystanie odpadów przemysłowych w drogownictwie zagrożenia. XXVI Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane 2013. 4. GDDKiA, Katalog typowych konstrukcji nawierzchni podatnych i półsztywnych. Opracowanie pod kierunkiem Józefa Judyckiego, Katedra Inżynierii Drogowej Politechniki Gdańskiej. Warszawa 2014. 5. IBDiM, Ocena i badania wybranych odpadów przemysłowych do wykorzystania w konstrukcjach drogowych. Opracowanie pod kierunkiem Dariusza Sybilskiego. Warszawa 2004. 6. Iwański M., Chomicz-Kowalska A., Ramiączek P., Maciejewski K., Iwański M. M., Wpływ laboratoryjnych metod zagęszczania na właściwości fizykomechaniczne recyklowanych mieszanek mineralno-asfaltowych z asfaltem spienionym. Budownictwo i Architektura 13 (1/2014), s. 89-98. Politechnika Lubelska. Lublin 2014. 7. Iwański, M., Chomicz-Kowalska, A., Moisture and frost resistance of the recycled base rehabilitated with the foamed bitumen technology, Archives of Civil Engineering, 58(2), 185-198 (2012). 8. Iwański, M., Chomicz-Kowalska, A., Laboratory Study on mechanical Parameters of Foamed Bitumen Mixtures in the Cold Recycling Technology, Procedia Engineering 57, 433-442 (2013). 9. Judycki J., Porównanie kryteriów zmęczeniowych do projektowania podatnych i półsztywnych nawierzchni drogowych. Cz. I, Drogownictwo 1/1999, Cz. II, Drogownictwo 2/1999, SITK, Warszawa 1999. 10. Mniszek W., Sadzik A., Wtórne wykorzystanie destruktu asfaltowego do budowy dróg. Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Zarządzania Ochroną Pracy w Katowicach 2012, nr 1(8)/2012. 11. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz. U. z dnia 14 maja 1999 r., Nr 43, poz. 430). 12. Szczuraszek T., Bezpieczeństwo ruchu miejskiego. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2008. 13. Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach z późniejszymi zmianami, Dz. U. z 2010 r. nr 185. poz. 1243, nr 203, poz. 1351. 14. Wymagania Techniczne: Kruszywa do mieszanek mineralno-asfaltowych i powierzchniowych utrwaleń na drogach krajowych. WT 1 2010. Warszawa 2010. 15. Wymagania Techniczne: Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych. WT-2 2008. Mieszanki mineralno-asfaltowe. Warszawa 2008. 16. Wymagania Techniczne: Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych. WT-2 2010. Mieszanki mineralno-asfaltowe. Warszawa 2010. 17. Wymagania Techniczne: Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych. WT-2 2014. Mieszanki mineralno-asfaltowe. Warszawa 2014. 6945