Zmiany w podejściu do technologii budowy nawierzchni drogowych

Łączna długość sieci drogowej w Polsce to ok. 380.000 km, z tego ok. 5% dróg to drogi administrowane przez GDDKiA, ok. 6% to drogi wojewódzkie i ok. 89% to drogi samorządowe (powiatowe, gminne).

Dziś w Polsce wielkie przebudowy dróg odbywaj ą się na drogach administrowanych przez GDDKiA oraz w mniejszym stopniu na drogach wojewódzkich.

Przebudowy dróg samorządowych prowadzone w głównej mierze z funduszy samorządowych są remontowane w zasadzie tylko do "stopnia przejezdności".

Wzrastający z roku na rok ruch drogowy wymusza potrzebę poszukiwania nowych, bardziej trwałych konstrukcji drogowych. Dotyczy to nie tylko ulic w miastach, ale również dróg zamiejskich. Wybudowane lub projektowane odcinki autostrad i dróg ekspresowych wymagaj ą również przebudowy sieci drogowej, na którą zostanie skierowany ruch samochodowy z węzłów autostradowych i dróg ekspresowych. Obecna sieć dróg samorządowych, a dotyczy to dróg wojewódzkich, powiatowych bądź gminnych, nie ma odpowiednich parametrów technicznych, które pozwoIiłyby na przejęcie tego ruchu. Niedostateczna nośność mostów i wiaduktów, nawierzchni i podbudowy dróg, szerokość pasów korpusu drogowego i linii rozgraniczających, nienormatywne spadki podłużne, powoduj ą, że drogi samorządowe wymagaj ą gruntownej przebudowy i modernizacji.

Z jednej strony wzrost wymagań co do jakości nawierzchni drogowych, a z drugiej staty niedobór środków na realizację inwestycji na drogach samorządowych wymusza poszukiwania nowoczesnych a jednocześnie tanich rozwiązań w zakresie utrzymania, modernizacji i budowy infrastruktury komunikacyjnej.

A teraz kilka aspektów techno Logicznych.

Co oznacza zaniżona nośność konstrukcji drogowej?

Zaniżona nośność konstrukcji drogowej to przede wszystkim zbyt cienki pakiet warstw konstrukcyjnych. W konsekwencji na warstwy gruntu przekazywane są zbyt duże naprężenia, a konstrukcja ugina się zbyt "mocno" i powstają na "spodach" warstw konstrukcyjnych zbyt duże odkształcenia pionowe, a na "spodach" warstw bitumicznych zbyt duże naprężenia rozciągające i zbyt duże odkształcenia poziome, co skutkuj e pękaniem warstw. Wśród technologów ds. nawierzchni od lat trwa dyskusja, czy konstrukcja nawierzchni pracuj e "na ściskanie", czy "na rozciąganie". Oczywiście w naturze występuj ą oba zjawiska i trzeba się z nimi zmierzyć jednocześnie.

JeżeIi założyć, że konstrukcja pracuj e na ściskanie, to doskonałym rozwiązaniem są wszelkiego typu mieszkanki betonowe o ciągłym uziarnieniu, posiadające duże stabilności i małe odkształcenia.

Jeżeli założyć, że konstrukcja pracuj e na rozciąganie, to dobrym rozwiązaniem są mieszanki posiadające duże odkształcenia graniczne, które osiągane są poprzez wprowadzenie "dużych" ilości lepiszcza, a dokładniej poprzez wykonanie na ziarnach kruszywa "grubych" otoczek asfaltowych. Stosunkowo gruba otoczka asfaltowa zwiększa odkształcenie graniczne przy rozciąganiu i potrafi zwiększyć wytrzymałość na nie. Możliwość wprowadzenia relatywnie "grubych" otoczek asfaltowych umożliwia stosowanie w mieszankach mineralno-bitumicznych włókien stabiIizujących.

Dodatek włókien stabilizacyjnych oznacza wprowadzenie do mieszanki mineralnej elementu o dużej powierzchni właściwej, który powoduj e utrzymywanie się "nadmiaru" lepiszcza napięciem powierzchniowym na powierzchni całości mierzanki i zapobiega spłyrwaniu lepiszcza z ziaren kruszywa. Element stabilizujący - włókna celulozowe nie ma wpływu na parametry mechaniczne mieszanki. Jeże l i wprowadzilibyśmy tak grubą otoczkę bitumiczną w mieszankę typu betonowego, uzyskalibyśmy mieszankę pozbawioną całkowicie wolnych przestrzeni, co spowodowałoby spal dek parametrów wytrzymałościowych przyciskaniu. W efekcie mieszanki tego typu nie posiadałyby odporności na koleinowanie. Alternatywą pozwalającą na wprowadzenie dużych ilości bitumu do mieszanek mineralno-bitumicznych są mieszanki o nieciągłym uziarnieniu, których schemat pracy przy ściskaniu oparty jest o kąt tarcia wewnętrznego, czyli bezpośredni kontakt grubych ziaren między sobą.

Jedną z propozycji takiej mieszanki jest mieszanka mineralno-asfaltowa z przeznaczeniem do wbudowania w warstwach: ścieralnej, wiążącej, profil owej, która przyjęta nazwę SMA 1 6 JENA. Jest to masa, w której mieszanka mineralna posiada nieciągłe uziarnienie, otoczkę asfaltową grubszą o ok. 15^30% w stosunku do tej pory stosowanych mieszanek (SMA 11, AC 11).

Jest to mieszanka, którą można wbudować w jednej warstwie o grubości od 4 do 10 (i więcej) cm, stąd polska nazwa SMA 16 JE NA (jednowarstwowa Nawierzchnia Asfaltowa). Koncepcja mieszanki typu SMA po l ega na stworzeniu bardzo silnego szkieletu mineralnego z grysów i wypełnieniu przestrzeni miedzy grubymi ziarnami maltyksem aslaltowym, tj. mieszaniną asfaltu, wypełniacza oraz stabilizatora.

Rozkład wielkości ziaren kruszywa wskazuje nam rodzaj mieszanki mineralnej. Mieszanki o ciągłym uziarnieniu głównie typu betonowego cechują się równomiernym udziałem ziaren każdej frakcji w mieszance mineralnej. Mieszanki o nieciągłym uziarnieniu cechuje zawartość bardzo drobnych i drobnych ziaren oraz grulbych i bardzo grubych. "W SMA nieciągłość uziarnienia polega na braku tzw. frakcji pośrednich: "poniższy rysunek obrazu e przykłady mieszanek o ciągłym uziarnieniu (np. AC 11 S) i nie- ciągłym uziarnieniu (np. SMA 11 S).

Wyraźna nieciągłość uziarnienia mieszanki mastyksowo-grysowej SMA, umożliwia uzyskanie silnego szkieletu mineralnego (zdecydowanie bardziej odpornego niż w betonie asfaltowym na deformacje trwałe - koIeiny), w którym grube ziarna opierają się o siebie i wzajemnie klinuj ą, w ten sposób mogą przenosić bardzo duże obciążenia od ciężkiego ruchu samochodowego.

"To zjawisko nazywane jest w USA "stone-to- -stone contact" co jest następstwem nieciągłości uziarnienia"[1]

Grube ziarna w mierzance o nieciągłym uziarnieniu dają dużą nośność warstwie wykonanej z takiej mieszanki, ale mieszanka złożona tylko z grubych ziaren kruszywa nie jest odpowiednio odporna na niszczące oddziaływanie wody, szczególnie w okresie zimowym. Dla-ego mieszanka mastyksowo-grysowa SMA (o nieciągłym uziarnieniu) oprócz silnego szkieletu z grubych ziaren zawiera wiele mniejszych ziaren wypełniacza, czyi i mącz ki wapiennej oraz lepiszcze asfaltowe. As-alt z wypełniaczem i drobnym kruszywem tworzy mastyks asfaltowy, o dużo większej kohezji niż samo lepiszcze asfaltowe, który służy do silnego skleenia (związania) ziaren kruszywa oraz wypełnia przestrzeni między grubymi ziarnami kruszywa i uszczelnia mieszankę, dzięki czemu uzyskujemy odporność na wodę i mróz. Zwiększenie odkształceń granicznych, uzyskane w wyniku zastosowania grubych otoczek asfaltowych powodu- e, że nawierzchnia z użyciem mieszanek bogatych w lepiszcze może ugiąć się stosunkowo więcej (od mieszanek tradycyjnych) i nie wykazuj e spękań siatkowych świadczących o przekroczeniu naności konstrukcji.

Doprowadzenie dróg lokalnych do tzw. przejezdności (przy ograniczonych funduszach finansowych) za pomocą nakładek wykonywanych ze "sztywnych" mieszanek mineralno biumicznych jest błędem z założenia. Celem tego typu remontów powinno być wbudowywanie warstw o dużych odkształceniach granicznych przy rozciąganiu, co umożliwi w znacznym stopniu dopasowanie się w trakcie eksploatacji nawierzchni do zwiększonych odkształceń podoża. Oczywiście nie jest to perpetuum mobil e, ale w znacznym stopniu może przedłużyć żywotność nawierzchni wyremontowanej mieszankami o zwiększonych parametrach przy rozciąganiu. Mieszanki typu SMA znalazły w Polsce ogromne zastosowanie głównie jako warstwy ścieralne na autostradach, drogach ekspresowych, obwodnicach miast, drogach krajowych drogach wojewódzkich o większym obciążeniu ruchem, ulicach miejskich, w warstwach ochronnych na obiektach mostowych, jak również na płytach lotniskowych, placach parkingowych a także na ścieżkach rowerowych. Mieszanka SMA 16 JENA charakteryzuje się również bardzo wysokimi parametrami mechanicznymi i dużą odpornością na działania wody i mrozu. Odporność na deformacje plastyczne jest znacząco większa od tradycyjnych mieszanek typu SMA. Związane jest to z zastosowaniem dużych ilości grubych grysów (ok. 50% ziaren powyżej 8 mm). Mieszanka ta nie wymaga dodatkowych działań przy projektowaniu, produkcji i wbudowywaniu w porównaniu do tradycyjnych, sprawdzonych mieszanek typu SMA; wbudowywana w jednej warstwie (4-10 cm) zastępu- e dwie warstwy. W latach 2010-2014 wykonano w Polsce wiele odcinków, na których ułożono jednowarstwowe nakładki nowego typu, według koncepcji mieszanek o nieciągłym uziarnieniu i dużej zawartości lepiszcza asfaltowego.

Uzyskane wyniki badań wbudowanych mieszanek mastyksowo-grysowych SMA 16 JENA oraz wykonanych nakładek potwierdziły zalety nowego rozwiązania:

mieszanka mineralna w mieszance mastyk- sowo-grysowej zawiera dużo ziaren grubych i charakteryzuj e się wysoką stabilnością i odpornością na odkształcenia oraz na zużywanie się pod działaniem ruchu,
w takiej mieszance może być zastosowany standardowy asfalt drogowy (najczęściej 50/70) oraz standardowy wypełniacz wapienny,
istniej e możliwość zastosowania w takiej mieszance granul atu z destruktu asfaltowego odpowiadającego wymaganiom PN-EN 13108-8,
możliwe jest wbudowywanie takiej mieszanki przy zmiennej grubości warstwy od 4 do 10 cm, a więc nie jest konieczne wykonywanie warstw wyrównawczych na istniejących nawierzchniach drogowych, co zdecydowanie przyspiesza roboty na drodze,
warstwa z mieszanki mastyksowo-grysowej charakteryzuj e się większą trwałością z powodu grubszej warstewki asfaltu na ziarnach kruszywa w mieszance (niż w mieszance typu beton asfaltowy), co minimalizuje koszty utrzymania w cyklu życia nawierzchni,
ze względu na bardzo dobrą stabilność warstwy SMA 16 JENA może być ona przykryta kolejną warstwą (nakładką) i wtedy staj e się bardzo dobrą warstwą wiążącą. Jest to więc rozwiązanie otwarte na rozbudowę drogi w przyszłości,
pozałożonym okresie eksploatacji takiej nawierzchni można wykonać na niej cienki dywanik na gorąco, cienki dywanik na zimno lub powierzchniowe utrwalenie co przywróci właściwości przeciwpoślizgowe,
oszczędność spowodowana rezygnacją ze skropienia między warstwą wiążącą a ścieralną oraz ułożeniem warstwy asfaltowej w jednym przejściu rozkładarki, a więc przy znaczącym skróceniu czasu wykonania remontu,
średnio ważona cena m2 układu 4cm+4cm w technologii betonu asfaltowego jest porównywalna z ceną 8 m2 w technologii SMA 16 JENA,
nie istnieją przeszkody prawne, aby mieszanki SMA o uziarnieniu do 16 mm wprowadzić do obsotu.

Mieszanki te zgodne są z kategoriami zawartymi w normie PN-EN 13108-5. Każdy Producent takiej mieszanki mający wdrożony na swojej wytwórni certyfikowany system ZKP w systemie 2+, może wprowadzać swój wyrób na rynek europejski, znakując go znakiem CE na zgodność z normą PN-EN 13108-5.

SMA 16 JENA okazała się bardzo dobrą mieszanką mineralno-asfaltową na nawierzchnię dróg samorządowych, lecz ze względu na posiadane parametry mechaniczne możliwe jest zastosowanie tego typu mieszanek na drogach obciążonych każdą kategorią ruchu.

Wszystkie wykonane w lasach 2010-2014 odcinki jednowarstwowych nakładek z mieszanek mastyksowo-grysowych SMA 16 JENA potwierdziły opisane powyżej zalety tej technologii.

W celu ułatwienia zarządcom i wykonawcom dróg wdrożenia tej technologii i uzyskania zdecydowanej poprawy jakości i trwałości dróg firma RETTENMA s ER Polska, wydała poradnik: Jednowarstwowa nawierzchnia asfaltowa. SMA 16 JENA. Poradnik dla zarządców i wykonawców dróg samorządowych. Poradnik zawiera również Wzorcową Specyfikację Techniczną i jest dostępny bezpłatnie w formie książkowej jak też w internecie.