Projekt okładki i stron tytułowych

Ireneusz Gawliński

Ilustracja na okładce

Michał A. Glinicki

Wydawca

Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji

Adam Kowalski

Redaktor

Joanna Forysiak

Produkcja

Mariola Grzywacka

Recenzent

Prof. dr inż. Jan Olek, Purdue University, USA

Prof. dr hab. inż. Wojciech Radomski,

Politechnika Warszawska

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec / Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2019

ISBN 978-83-01-20589-8

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2019 r. (wyd. I)

Warszawa 2019

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Od autora

1. Wprowadzenie do inżynierii nawierzchni betonowych

1.1. Przedmiot i zakres książki

1.2. Historia budowy drogowych nawierzchni betonowych

1.3. Rodzaje konstrukcji nawierzchni

1.4. Funkcje i cechy eksploatacyjne nawierzchni

2. Obciążenia i oddziaływania środowiskowe

2.1. Kategorie obciążenia ruchem

2.2. Oddziaływania środowiskowe

2.3. Oddziaływania eksploatacyjne

2.4. Skutki wieloletnich oddziaływań na nawierzchnie

2.5. Znaczenie opadów atmosferycznych

3. Typowe i nietypowe rozwiązania konstrukcyjne

3.1. Typowy układ warstw konstrukcji drogi

3.2. Rozmieszczenie dybli i kotew, układ szczelin

3.3. Warstwa poślizgowa

3.4. Katalogowe właściwości betonu

3.5. Nietypowe konstrukcje nawierzchni – metody projektowania

3.6. Oprogramowanie do wymiarowania i analizy nawierzchni

3.6.1. Oprogramowanie Pavement ME

3.6.2. Bezpłatne oprogramowanie do wymiarowania nawierzchni betonowych

3.6.3. Oprogramowanie do analizy pojedynczych zagadnień inżynierii nawierzchni

4. Technologia budowy nawierzchni betonowej

4.1. Maszyny do układania nawierzchni

4.2. Główne procesy technologiczne

4.3. Warunki prowadzenia robót nawierzchniowych

4.4. Ogólne zasady wytwarzania, transportu i wbudowywania mieszanki betonowej

4.5. Zasady teksturowania i pielęgnacji betonu w warstwie nawierzchniowej

4.6. Zasady wykonania i wypełnienia szczelin

5. Kryteria projektowania składu betonu

5.1. Wprowadzenie do projektowania betonu

5.2. Normowe kryteria dotyczące właściwości betonu

5.3. Zasady selekcji składników betonu

5.3.1. Kruszywa

5.3.2. Cement

5.3.3. Woda zarobowa

5.3.4. Domieszki i preparaty chemiczne

5.3.5. Dodatki mineralne

5.4. Wymagane właściwości betonu

5.5. Przykładowe receptury betonu nawierzchniowego

6. Fizyczna charakterystyka betonu i odkształcenia wilgotnościowe

6.1. Wiązanie cementu i twardnienie betonu

6.2. Wpływ domieszek na wiązanie cementu i twardnienie betonu

6.3. Porowatość i przepuszczalność betonu

6.4. Skurcz przy wysychaniu i odkształcenia wilgotnościowe

6.5. Właściwości fazy ciekłej w betonie

7. Napowietrzanie betonu nawierzchniowego

7.1. Koncepcja napowietrzania betonu

7.2. Zawartość powietrza i wielkość porów powietrznych

7.2.1. Wyznaczanie zawartości powietrza w mieszance betonowej

7.2.2. Charakterystyka porów powietrznych wg PN-EN 480-11

7.2.3. Normowe kryteria oceny napowietrzenia

7.3. Czynniki materiałowe i technologiczne wpływające na napowietrzenie

7.4. Diagnostyka napowietrzenia betonu w nawierzchniach

8. Wytrzymałość betonu w nawierzchni

8.1. Wytrzymałość na ściskanie i na rozciąganie przy zginaniu

8.2. Wpływ składu betonu na wytrzymałość

8.2.1. Zależności ogólne

8.2.2. Wpływ właściwości kruszywa

8.2.3. Wpływ napowietrzenia

8.2.4. Wpływ cementu

8.3. Wpływ temperatury – dojrzałość betonu

8.4. Ocena wytrzymałości betonu w nawierzchni

9. Odporność betonu na oddziaływanie mrozu i środków odladzających

9.1. Mechanizmy zniszczenia mrozowego

9.1.1. Oddziaływanie ujemnej temperatury

9.1.2. Procesy zamrażania wody w betonie

9.1.3. Proces złuszczeń powierzchniowych

9.2. Bezpośrednie metody określania mrozoodporności

9.2.1. Mrozoodporność kruszywa

9.2.2. Mrozoodporność wewnętrzna betonu

9.2.3. Odporność na powierzchniowe złuszczenia betonu

9.3. Projektowanie składu betonu z uwagi na mrozodoporność

9.3.1. Recepturowe ograniczenia zgodnie z PN-EN 206

9.3.2. Selekcja składników i skład mieszanki

10. Deformacje termiczne betonu w nawierzchni

10.1. Oddziaływanie temperatury na nawierzchnie

10.1.1. Rozkład temperatury w przekroju

10.1.2. Gradient temperatury

10.1.3. Odkształcenia termiczne

10.2. Temperatura i naprężenia w twardniejącym betonie

10.3. Wpływ składu betonu na przewodność i pojemność cieplną

10.3.1. Przewodność cieplna

10.3.2. Pojemność cieplna (ciepło właściwe)

10.4. Wpływ składu betonu na rozszerzalność cieplną

10.5. Znaczenie właściwości cieplnych w analizie metodą ME

11. Zapobieganie uszkodzeniom betonu wskutek reakcji alkalia-kruszywo

11.1. Objawy reakcji alkalia–kruszywo w betonie

11.2. Warunki występowania i mechanizm reakcji

11.2.1. Kruszywo reaktywne

11.2.2. Zawartość alkaliów w betonie

11.2.3. Zawartość wilgoci w betonie

11.2.4. Mechanizmy reakcji alkaliów z krzemionką

11.2.5. Hamowanie reakcji alkalia–kruszywo

11.3. Strategia zapobiegania szkodliwym skutkom reakcji wg AASHTO

11.4. Petrograficzne rozpoznanie minerałów reaktywnych

11.4.1. Normowe zasady oceny składu mineralnego kruszyw

11.4.2. Metoda badań petrograficznych z wykorzystaniem cienkich szlifów

11.4.3. Wyniki oceny petrograficznej wybranych kruszyw krajowych

11.5. Ekspansja betonu na podstawie badań laboratoryjnych

11.6. Wpływ oddziaływań eksploatacyjnych

11.7. Krajowe wytyczne do zapobiegania ASR w nawierzchniach betonowych

12. Szczeliny w nawierzchniach

12.1. Rozstaw i wykonanie szczelin

12.2. Szczeliny konstrukcyjne i płyty przejściowe

12.3. Rozwarcie szczelin i ich wypełnienie

12.4. Przenoszenie obciążenia przez szczeliny

12.5. Wymiarowanie dybli i kotew

12.6. Weryfikacja rozmieszczenia i efektywności dybli

12.7. Przedwczesne uszkodzenia szczelin

13. Równość, tekstura i zbrojenie nawierzchni

13.1. Równość podłużna – znaczenie, wymagania

13.2. Właściwości przeciwpoślizgowe i tekstura

13.2.1. Współczynnik tarcia między kołem pojazdu a nawierzchnią

13.2.2. Tekstura nawierzchni

13.2.3. Efekty techniki teksturowania

13.3. Metody odtwarzania właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni

13.4. Zbrojenie ciągłe w nawierzchni

14. Zapewnienie jakości procesu budowy nawierzchni

14.1. Celowość gwarancji i zapewnienia jakości

14.2. Narzędzia i metody zapewnienia jakości

14.3. Monitorowanie warunków pogodowych

14.4. Monitorowanie stabilności właściwości mieszanki

14.4.1. Zawartość wody w mieszance betonowej

14.4.2. Napowietrzenie mieszanki

14.4.3. Konsystencja mieszanki

14.5. Monitorowanie dojrzałości betonu i wczesnej wytrzymałości

14.6. Ocena makrotekstury nawierzchni

14.7. Ocena układu dybli w nawierzchni

14.8. Ocena grubości i równości nawierzchni

Zakończenie

Bibliografia

Foreword to the book Inżynieria betonowych nawierzchni drogowych

Przypisy

Od autora

Pamięci mojej Mamy Władysławy poświęcam

Prezentowana książka jest w dużym stopniu zapisem oryginalnego autorskiego cyklu wykładów prowadzonych przeze mnie dla magistrantów i doktorantów Uniwersytetu Purdue w West Lafayette (Indiana, USA) w latach 2013 i 2014. Dla Czytelników w Polsce treść wykładu została znacząco zmieniona i dostosowana do aktualnego stanu wiedzy i techniki w kraju, przy pozostawieniu licznych odniesień do rozwiązań zagranicznych. Przy pisaniu książki wykorzystałem własne doświadczenia jako konsultanta uczestniczącego w projektowaniu i ocenie materiałów na nawierzchnie, diagnostyce obiektów oraz rozwijaniu metod badawczych, zwłaszcza w odniesieniu do betonowych dróg i obiektów inżynierskich.

Na prowadzonym przeze mnie kursie gościnne wykłady wygłaszali profesor Jan Olek z Uniwersytetu Purdue oraz Mike Byers ze stanowego oddziału Amerykańskiego Stowarzyszenia Nawierzchni Betonowych (ACPA – Indiana Chapter) w Indianapolis. Jestem im bardzo wdzięczny, wiele skorzystałem z ich doświadczeń. Jestem też wdzięczny mojemu bratu Adamowi Glinickiemu z GDDKiA oddział Białystok za współautorstwo rozdziału 14 oraz wnikliwe uwagi i konsultacje dotyczące krajowej praktyki zapewnienia jakości przy budowie dróg. Składam podziękowania wszystkim, którzy przyczynili się do powstania tej książki, a zwłaszcza najbliższym współpracownikom z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN: Darii Jóźwiak-Niedźwiedzkiej, Mariuszowi Dąbrowskiemu, mgr inż. Karolinie Gibas, Anecie Antolik, Kindze Dziedzic. Specjalne podziękowania należą się mojej żonie Dorocie i najbliższej rodzinie za cierpliwość i wyrozumiałość podczas długiego okresu pisania książki. Fragmenty książki powstały jako rezultat prac badawczych programu Rozwój Innowacji Drogowych, współfinansowanego przez NCBiR oraz GDDKiA (RID-I-37).

Mam nadzieję, że Czytelnicy uznają tę książkę za przydatną i interesującą.

Warszawa, 30 lipca 2018 r.

Michał Antoni Glinicki

1

Wprowadzenie do inżynierii nawierzchni betonowych

1.1. Przedmiot i zakres książki

Transport drogowy jest najczęściej stosowaną formą transportu na świecie. Długość sieci dróg samochodowych często uważa się za wskaźnik rozwoju kraju. Dokończenie budowy spójnej sieci polskich dróg krajowych ma się przyczynić do pełnego wykorzystania potencjału gospodarczego państwa oraz zwiększć komfort i bezpieczeństwo podróżowania pasażerów [159]. Stan techniczny sieci dróg krajowych nie odpowiada potrzebom rynku wynikającym ze wzrostu wymiany towarowej, w tym transeuropejskiej, a także rosnącego ruchu pasażerskiego. Jedynie ponad 1/4 nawierzchni dróg krajowych jest dostosowana do nacisku 115 kN/oś [53], dopuszczalnego w większości krajów UE. Ruch o dużym natężeniu (w tym samochodów ciężarowych) dość często odbywa się przez położone wzdłuż drogi tereny zabudowane. Na drogach jednojezdniowych dwukierunkowych występuje przeważająca większość wypadków drogowych (znacznie powyżej 80%).

W ostatnich trzech dekadach w Polsce nastąpił intensywny rozwój sieci dróg przeznaczonych do szybkiego ruchu pojazdów samochodowych. W porównaniu z rokiem 1989, kiedy łączna długość autostrad i dróg ekspresowych wynosiła odpowiednio 224 km i 100 km, obecna długość sieci tych dróg wzrosła do 1631 km i 1811 km [51]. Ich udział w sieci dróg krajowych stanowi obecnie ok. 18%. Docelowa długość sieci autostrad i dróg ekspresowych (rys.1.1) ma wynieść 7650 km, w tym ok. 2000 km autostrad.

Drogi o nawierzchni z betonu cementowego, zwane dalej nawierzchniami betonowymi, stanowią niewielki ułamek długości sieci drogowej, ale ich udział systematycznie wzrasta, zwłaszcza wraz z rozwojem sieci autostrad i dróg ekspresowych. Oprócz dróg samochodowych nawierzchnie betonowe stosuje się na lotniskach, w portach oraz jako nawierzchnie przemysłowe w fabrykach, magazynach, na placach składowych i parkingach. Zalety drogowych nawierzchni betonowych ujawniają się w postaci długotrwałej przydatności eksploatacyjnej bez konieczności remontów, zwłaszcza w przypadku dużego obciążenia ruchem pojazdów występującego na głównych trasach komunikacyjnych. Jako przykład można podać stan Teksas w USA, gdzie nawierzchnie betonowe stanowią jedynie 5% długości sieci dróg, ale przenoszą aż 25% ciężkiego ruchu pojazdów ciężarowych. Dlatego głównym tematem książki są nawierzchnie dróg samochodowych odpowiednie do intensywnego ruchu ciężkich pojazdów, określanego w Polsce kategorią ruchu od KR5 do KR7[1]. Przedstawione zasady inżynierii nawierzchni betonowych są słuszne również przy mniejszych obciążeniach ruchem pojazdów, więc mogą być wykorzystane jako ogólne wskazówki dotyczące nawierzchni o niższych kategoriach ruchu pojazdów.

Rys. 1.1. Docelowy przebieg autostrad i dróg ekspresowych w Polsce na podstawie [159]

W Europie Zachodniej względny udział nawierzchni betonowych w sieci głównych dróg krajowych jest zróżnicowany. Największy udział, sięgający 36% i 35%, mają odpowiednio Austria i Belgia, nieco mniejszy, sięgający 25%, wykazują Niemcy. We Francji, Holandii, Hiszpanii, Szwajcarii i Wielkiej Brytanii udział nawierzchni betonowych nie przekracza 10%. Dotychczasowe niewielkie rozpowszechnienie tego typu nawierzchni jest związane z stosunkowo dużymi nakładami inwestycyjnymi. Z uwagi na długotrwałą funkcjonalność obliczenia kosztów całkowitych eksploatacji nawierzchni w całym jej okresie użytkowania wykazują ewidentne korzyści ekonomiczne stosowania tej technologii.

Użytkownicy dróg postrzegają jakość nawierzchni drogowej przez pryzmat prędkości, komfortu i bezpieczeństwa jazdy. Ważne jest też ograniczenie szkodliwego wpływu na otoczenie, zwłaszcza hałasu emitowanego przez koła pojazdów w pobliżu zabudowań. Dlatego zarządcy dróg, działający w imieniu podatników lub użytkowników dróg płatnych, stawiają odpowiednie wymagania techniczne w odniesieniu do budowanych nawierzchni. Funkcjonalność nawierzchni powinna być zachowana przez cały projektowany okres eksploatacji, który w przypadku nawierzchni betonowych wynosi od 30 do 50 lat. Społecznie ważnym czynnikiem jest też bezawaryjność nawierzchni. Akceptacja częstych i przedłużających się remontów nawierzchni jest coraz mniejsza; oczekiwania kierowców i firm przewozowych obejmują też przewidywalność czasu podróży. Dzięki temu możliwe jest przynajmniej częściowe zastąpienie magazynowania zapasów niezbędnych do produkcji przemysłowej dostawami odpowiednich materiałów i podzespołów transportem samochodowym dokładnie na czas. Tak działa m.in. przemysł samochodowy w Japonii. Przykładową ilustrację niecierpliwości kierowców w amerykańskim stanie Kalifornia stanowią kary finansowe w wysokości 1000 dolarów za minutę opóźnienia terminu naprawy newralgicznych odcinków autostrad, wymierzane wykonawcom remontów przez administrację drogową. Wysokie oczekiwania użytkowników dróg wyznaczają zatem wysoki poziom jakości technicznej i niezawodności, jakie powinny spełniać nawierzchnie drogowe.

Przedmiotem niniejszej książki jest systematyczny wykład objaśniający, jak współczesne, wysokie oczekiwania użytkowników dróg przekładają się na cechy techniczne nawierzchni i jak je osiągnąć na budowie nawierzchni betonowej. Przedstawione są podstawy projektowania konstrukcji nawierzchni i selekcji materiałów. Objaśniona została technologia budowy nawierzchni betonowych, zwłaszcza w deskowaniu ślizgowym, wraz z nowoczesnymi metodami zapewnienia i kontroli jakości na budowie. Technologię zilustrowano fotografiami z budów dróg ekspresowych prowadzonych przy wykorzystaniu najnowszych rodzajów maszyn i urządzeń specjalistycznych. Szczegółowe omówienie właściwości fizycznych betonu tworzy podstawy do sformułowania kryteriów projektowania składu z uwzględnieniem oczekiwanej wieloletniej trwałości betonu. Przedstawienie zagadnień funkcjonalności nawierzchni zostało zilustrowane przykładami obliczeń za pomocą dostępnych w internecie programów komputerowych opracowanych przez ekspertów amerykańskich. Stosowanie nowoczesnych technik pomiarowych i diagnostycznych w celu zapewnienia jakości procesu budowy nawierzchni zilustrowane jest przykładami z krajowych budów dróg szybkiego ruchu. Liczne przykłady rozwiązań materiałowych i technologicznych pokazują praktyczną implementację zasad inżynierii nawierzchni.

Tematyka projektowania i budowy nawierzchni drogowych obejmuje zarówno zagadnienia mechaniki konstrukcji, jak i inżynierii materiałów budowlanych oraz technologii budowy dróg, łącznie określone mianem inżynierii nawierzchni. Oryginalność ujęcia tematyki polega na wnikliwym przedstawieniu zagadnień trwałości betonu w nawierzchniach drogowych narażonych na określone oddziaływania klimatyczne i skutki zabiegów zimowego utrzymania dróg. Polska i inne kraje Europy Środkowej leżą w strefie klimatu umiarkowanego o cechach klimatu lądowego, który w miesiącach zimowych charakteryzuje się występowaniem mrozu i dosyć dużymi amplitudami dobowymi temperatury powietrza. Agresywne oddziaływanie środowiska (i soli odladzających) jest główną przyczyną przyspieszonej degradacji betonu i w konsekwencji może prowadzić do skrócenia okresu przydatności funkcjonalnej nawierzchni. Szczegółowa analiza mechanizmów uszkodzeń nawierzchni umożliwia określenie sposobów przeciwdziałania przez selekcję składników, projektowanie składu mieszanki betonowej i odpowiednią technologię wbudowania betonu, pielęgnacji oraz teksturowania i wykonania szczelin. Duże znaczenie mają procedury zapewnienia jakości przy budowie nawierzchni, pozwalające na wprowadzanie korekt technologicznych na podstawie pomiarów newralgicznych parametrów materiałowych i procesowych. Książka jest przeznaczona dla inżynierów, zwłaszcza projektantów i drogowców, technologów betonu oraz nadzoru budowlanego i administracji drogowej. Będzie przydatną pomocą dla studentów kierunku budownictwo na wyższych uczelniach technicznych.

1.2. Historia budowy drogowych nawierzchni betonowych

Chociaż już przed drugą wojną światową wybudowano ponad 180 km nawierzchni z betonu [177], nadal nie mają one w Polsce dobrze ukształtowanej tradycji. Nawierzchnie na odcinkach Warszawa–Modlin i Radzymin–Wyszków służyły bardzo dobrze nawet ciężkiemu ruchowi pojazdów wojskowych (w tym czołgów). Na początku lat 50. XX wieku zbudowano ok. 700 km drogowych nawierzchni betonowych, ale dosyć szybko – po ok. 10 latach – uległy one degradacji, głównie wskutek oddziaływania mrozu i środków odladzających do zimowego utrzymania dróg. Na początku lat 80. XX wieku rozpoczęto układanie nawierzchni betonowych na drogach publicznych o małym natężeniu ruchu przy użyciu sprzętu znajdującego się w jednostkach organizacyjnych krajowej administracji drogowej [73]. Na rys.1.2 przedstawiono zbudowaną wówczas nawierzchnię betonową, która jest dziś w dosyć dobrym stanie technicznym, po 30 latach użytkowania jako droga lokalna w okolicy Białegostoku.

Rys. 1.2. Widok odcinka nawierzchni betonowej (niedyblowanej) na drodze lokalnej koło Białegostoku po 30 latach eksploatacji (fot. M.A.Glinicki)

Poczynając od roku 1995, po pierwszych pozytywnych doświadczeniach na odcinku autostradowym Golnice–Krzywa, liczba projektów drogowych realizowanych w technologii betonu cementowego systematycznie wzrastała. Budowa nawierzchni betonowych na drogach lokalnych i krajowych okazała się technicznie i ekonomicznie uzasadniona [32]. W ostatnich 15 latach [199] nawierzchnie z betonu zastosowano na wielu kluczowych odcinkach autostrad i dróg ekspresowych, łącznie na długości przekraczającej 300 km. Na rys.1.3 przedstawiono ilustrację dobrego stanu nawierzchni betonowej na odcinku o dużym obciążeniu ciężkim ruchem pojazdów. Wzrost wykorzystania betonu przy budowie ważnych dróg krajowych i transgranicznych w ostatnich latach stanowił motywację do podsumowania zagadnień inżynierii nawierzchni betonowych w formie monograficznej.

Rys. 1.3. Widok odcinka nawierzchni betonowej na drodze krajowej po 15 latach eksploatacji

Nawierzchnie z betonu mają już długoletnią tradycję w USA i krajach Europy Zachodniej [95]. Nawierzchnię głównej ulicy w miejscowości Bellefontaine w Ohio (USA), zbudowaną w roku 1891, przyjęło się nazywać pierwszą ulicą z betonu [33]. Wykonana została jako nawierzchnia dwuwarstwowa i po upływie 100 lat jej część nadal była eksploatowana. Zbudowana na początku XX wieku nawierzchnia ulicy w Chicago przetrwała 60 lat. Udokumentowana historia to przede wszystkim dzieje sukcesów, porażki nie zostały szczegółowo spisane. Można znaleźć wzmianki o drodze z betonu zbudowanej w 1879 roku w Szkocji; nawierzchnia była bardzo dobra, ale kiedy zaczęła pękać, jej zniszczenie przebegło szybko. Technologia budowy dróg, nie tylko z betonu, rozwijała się na przestrzeni lat jako rzemiosło budowlane, dlatego niepowodzeń musiało być wiele. Wraz z masowym rozwojem motoryzacji zwiększały się społeczne potrzeby budowy dróg o dobrych nawierzchniach, a później także oczekiwania użytkowników dróg wobec jakości nawierzchni. W okresie lat 20. XX wieku można umiejscowić początki „inżynierii nawierzchni”, związane przede wszystkim z opublikowaniem prac Malcolma Westergaarda, umożliwiających obliczanie naprężeń w płytach z betonu na podłożu sprężystym. W tym czasie pojawiły się też pierwsze zastosowania dybli w nawierzchniach. Znaczącą rolę miał rozwój mechaniki gruntów, zwłaszcza prace Terzaghiego, Winklera i in. dotyczące charakteryzowania gruntów jako podłoża pod nawierzchnie drogowe. Empiryczne reguły projektowania nawierzchni zostały wzbogacone o narzędzia do charakteryzowania materiałów i analitycznego wyznaczania grubości płyt w zależności od obciążenia i warunków podparcia. Intensywny rozwój nawierzchni betonowych nastąpił w USA od roku 1956, gdy rozpoczęto budowę sieci autostrad międzystanowych o łącznej długości 66 000 km, z czego 60% stanowiły nawierzchnie betonowe. Budowie dróg w tak dużej skali towarzyszyły szeroko zakrojone prace badawcze znane pod nazwą AASHO[2] Road Test. Opracowane wówczas metody empiryczne i empiryczno-analityczne (nazywane żargonowo mechanistycznymi), z późniejszymi znacznymi modyfikacjami, nadal są wykorzystywane do projektowania dróg z betonu. W tym okresie nastąpił również znaczny postęp praktyki wykonawczej, związany także z postępami w konstrukcji maszyn i urządzeń do wytwarzania mieszanki betonowej, układania betonu w deskowaniu ślizgowym, wycinania szczelin w nawierzchni. Dzięki mechanizacji procesów budowlanych szybkość budowy nawierzchni znacznie wzrosła.

1.3. Rodzaje konstrukcji nawierzchni

Współczesne konstrukcje nawierzchni dróg przeznaczonych do ruchu rozmaitych pojazdów są konstrukcjami warstwowymi. Warstwy projektuje się tak, aby przejmować i przenosić obciążenie od ruchu pojazdów na podłoże, odprowadzić wodę opadową i zapewnić określoną funkcjonalność konstrukcji. W przypadku dróg o jezdni z betonu cementowego warstwy górne konstrukcji to: warstwa nawierzchniowa z betonu, warstwa poślizgowa, podbudowa zasadnicza. Kolejnymi warstwami są: podbudowa pomocnicza, warstwa mrozoochronna oraz podłoże gruntowe nawierzchni, w którym wydziela się: warstwę ulepszonego podłoża i grunt rodzimy w wykopie lub grunt nasypu (rys.1.4). W celu uproszczenia na rysunku nie pokazano warstwy odsączającej, której funkcję może pełnić warstwa mrozoochronna, ani warstwy odcinającej, potrzebnej do oddzielenia spoistego podłoża gruntowego od najniżej leżącej warstwy z materiału ziarnistego. Określenie „warstwa nawierzchniowa z betonu” i „nawierzchnia betonowa” są równoznaczne i stosowane wymiennie.

Konstrukcja nawierzchni

Warstwy górne konstrukcji nawierzchni

Warstwa nawierzchniowa z betonu (jedno- lub dwuwarstwowa)

Warstwa poślizgowa

Podbudowa zasadnicza

Warstwy dolne konstrukcji nawierzchni

Podbudowa pomocnicza

Warstwa mrozoochronna

Podłoże gruntowe nawierzchni

Warstwa ulepszonego podłoża

Grunt rodzimy w wykopie lub nasypie

Rys. 1.4. Schemat z nazwami warstw i przekrój poprzeczny konstrukcji drogi o nawierzchni betonowej na podstawie [200]

Ze względu na sposób pracy statycznej warstwy nawierzchniowej [79], [201] odróżnia się następujące, główne rodzaje konstrukcji nawierzchni betonowych:

1. nawierzchnie niezbrojone i niedyblowane,

2. nawierzchnie niezbrojone dyblowane i z kotwami,

3. nawierzchnie zbrojone o zbrojeniu ciągłym,

4. nawierzchnie zbrojone ze szczelinami dyblowanymi,

5. nawierzchnie złożone (mieszane) – warstwa betonu ułożona na warstwie asfaltobetonu, stosowana głównie jako warstwa wzmacniająca starą nawierzchnię.

Na podstawie wieloletnich doświadczeń płynących z eksploatacji dróg z betonu okazało się, że najskuteczniejsze na głównych ciągach transportowych są nawierzchnie typu b), c) oraz e). Nawierzchnie drogowe typu d) są technicznie nieefektywne, natomiast typ a) stosuje się obecnie wyłącznie na drogi lokalne i o mniejszym znaczeniu.

Odrębny rodzaj nawierzchni stanowią nawierzchnie z betonu wałowanego, betonu sprężonego, nawierzchnie z prefabrykatów. Stosuje się je raczej w ograniczonym zakresie na drogach lokalnych, parkingach, placach przeładunkowych lub do remontu istniejącej nawierzchni. Z uwagi na wysoki koszt nawierzchnie z betonu sprężonego buduje się wyjątkowo, np. na lotnisku Schiphol w Amsterdamie, w rejonach wymaganego zerowego utrzymania. Nie będą szczegółowo omawiane w tej książce.

Warstwy górne konstrukcji nawierzchni pokazanej schematycznie na rys.1.4 mają podstawowe znaczenie w przenoszeniu obciążeń ruchu drogowego – ich właściwości i grubość są projektowane w zależności od kategorii ruchu oraz od typu podbudowy zasadniczej. Warstwy dolne konstrukcji nawierzchni są dobierane w zależności od nośności podłoża gruntowego i od wymaganej nośności na powierzchni dolnych warstw konstrukcji nawierzchni. Jeśli podłoże gruntowe pod nawierzchnią jest zbyt słabe, może być wzmocnione przez wykonanie na jego górnej powierzchni warstwy ulepszonego podłoża.

Warstwa znajdująca się między płytą betonową a podbudową zasadniczą pełni funkcję warstwy antyspękaniowej, filtrującej oraz poślizgowej, ograniczającej naprężenia w płycie betonowej w wyniku zmian temperatury. Na ogół wykonuje się ją z geowłókniny o odpowiednich parametrach wytrzymałościowych. Podbudowa zasadnicza może być wykonana z mieszanek niezwiązanych, betonu asfaltowego, mieszanek związanych spoiwami hydraulicznymi, gruntów stabilizowanych spoiwami hydraulicznymi. Podbudowa pomocnicza tworzy podstawę pod podbudowę zasadniczą, zapewnia niezbędną nośność na górnej powierzchni warstwy, wspomaga ochronę nawierzchni przed wysadzinami powodowanymi przez działanie mrozu. Zasadniczym zadaniem warstwy mrozoochronnej jest ochrona nawierzchni przed wysadzinami powodowanymi przez szkodliwe działanie mrozu i zwiększenie nośności warstw dolnych konstrukcji nawierzchni. Zagadnienia podbudów i podłoży pod betonową warstwą jezdną są szczegółowo przedstawione w [165].

Warstwę nawierzchniową z betonu wykonuje się jako jedno- lub dwuwarstwową, przy założeniu pełnej współpracy międzywarstwowej, tj. takiej, kiedy warstwa dolna wraz z górną tworzą monolityczną całość. W przypadku nawierzchni dwuwarstwowej uzyskuje się możliwość ekonomicznego wykorzystania materiałów nieco gorszej jakości w warstwie dolnej i dostosowania właściwości betonu tylko w warstwie górnej do silnych oddziaływań od kół pojazdów. Przy zastosowaniu technologii tzw. odkrytego kruszywa w warstwie górnej nawierzchni można kształtować makroteksturę powierzchni, wpływając w ten sposób na właściwości przeciwpoślizgowe oraz ograniczając hałas wywoływany przez toczenie kół po nawierzchni.

Podziału nawierzchni betonowych można dokonać także na podstawie sposobu teksturowania powierzchni, nadającego odpowiednią szorstkość. Wyróżnia się następujące sposoby teksturowania:

1. przeciąganie sztucznej trawy lub tkaniny jutowej w kierunku podłużnym (równolegle do kierunku jazdy),

2. przeciąganie juty i rowkowanie podłużne za pomocą grzebieni lub widełek ciągnionych za jutą,

3. szczotkowanie w kierunku poprzecznym za pomocą szczotek stalowych,

4. rowkowanie poprzeczne za pomocą widełek metalowych,

5. odkrywanie kruszywa przez wyszczotkowanie warstwy niezwiązanej zaprawy (rys.1.5a),

6. frezowanie lub rowkowanie za pomocą tarcz diamentowych (rys.1.5b),

7. śrutowanie, frezowanie rotacyjne itp. (por. rozdz. 13).

Teksturowanie przy wykorzystaniu pierwszych pięciu sposobów wykonuje się niezwłocznie po ułożeniu i wyrównaniu nawierzchni.

a)

b)

Rys. 1.5. Widok tekstury nawierzchni z odkrytym kruszywem (a) oraz rowkowanej za pomocą tarcz diamentowych (b) (fot. M.A. Glinicki)

Skuteczność każdego ze sposobów teksturowania jest zróżnicowana [91]. Najmniejszą głębokość makrotekstury[3] uzyskuje się w wyniku przeciągania juty, jednocześnie takie wyprofilowanie powierzchni zachowuje trwałość do trzech lat. Większą głębokość tekstury uzyskuje się w wyniku rowkowania poprzecznego, zwiększa się przez to sczepność kół z nawierzchnią. Tak wykonana tekstura ma trwałość do ośmiu lat. Frezowanie i rowkowanie za pomocą tarcz diamentowych przeprowadza się po całkowitym stwardnieniu betonu w nawierzchni. Technika opracowana w USA jest tam często stosowana, a w Polsce dopiero w fazie wstępnych prób. Rozstaw, głębokość i orientacja rowków mają istotny wpływ na hałas toczenia kół po nawierzchni i przyczepność kół pojazdów podczas hamowania. Na podstawie charakterystyki tekstury można kwalifikować nawierzchnie betonowe do grupy nawierzchni o podwyższonych właściwościach użytkowych, tj. cichych oraz bezpiecznych dla kierowców.

Nawierzchnie betonowe dwuwarstwowe, z górną warstwą wykonaną w technologii odkrytego kruszywa, niezbrojone, dyblowane i z kotwami są najczęściej stosowanym rodzajem nawierzchni na drogach ekspresowych i autostradach w Polsce oraz innych krajach europejskich, jak Austria, Niemcy, Francja, Czechy, Słowacja. Zbrojone nawierzchnie betonowe jednowarstwowe, ze zbrojeniem ciągłym, były jak dotąd stosowane w Polsce jedynie na odcinkach próbnych autostrad, są natomiast często stosowane do budowy autostrad m.in. w Belgii, Francji i USA. Coraz bardziej rozpowszechniają się takie rozwiązania konstrukcyjne na rondach, np. w Niemczech pierwsze rondo betonowe zbudowano w 2007 roku, a dziś jest ich około stu. Przejazdy samochodów ciężarowych przez ronda powodują ekstremalne obciążenia nawierzchni, zarówno w wyniku działania sił odśrodkowych, jak i przeciążenia wywieranego przez koła boczne przechylonych pojazdów. Stąd wynika uzasadnienie stosowania nawierzchni betonowych na rondach, aby zapobiegać tworzeniu się kolein i spękań.

Nawierzchnie jednowarstwowe, niezbrojone, dyblowane i z kotwami do budowy dróg w Polsce stosowano przede wszystkim w końcu lat 90. XX wieku i pierwszej dekadzie XXI wieku, przed rozwinięciem technologii nawierzchni dwuwarstwowych z odkrywaniem kruszywa. Jednowarstwowe układanie nawierzchni stosuje się powszechnie w krajach Ameryki Północnej, ale nawierzchnie dwuwarstwowe znalazły ostatnio spektakularne zastosowanie. Przy modernizacji 470 km sieci płatnych autostrad Illinois Tollway w okolicach Chicago wykorzystano szereg innowacyjnych rozwiązań, aby:

● zmniejszyć korki, zaoszczędzić czas i pieniądze kierowców,

● wspomagać rozwój gospodarczy regionu,

● zbudować inteligentny system transportowy na miarę XXI wieku,

● zrealizować powyższe cele przy możliwie najbardziej korzystnych wskaźnikach oddziaływania na środowisko.

Kluczem do realizacji ambitnych celów okazała się technologia nawierzchni dwuwarstwowych z betonu cementowego na głównych pasach ruchu (od 2 do 5) wraz z technologią asfaltobetonu na pasach awaryjnych i łącznicach [91]. Prace zamierzono na 15 lat, a skalę budowy pokazuje zamierzone jedynie w roku 2018 wykorzystanie betonu w ilości ponad 120 000 m^3. Techniczne i ekonomiczne uzasadnienie wyboru technologii nie budzi wątpliwości.

1.4. Funkcje i cechy eksploatacyjne nawierzchni

Formalne warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne w Polsce i związane z nimi urządzenia budowlane, przedstawione są w rozporządzeniu [178] i związanych przepisach prawnych. Wymagania podstawowe formułuje się w zależności od klasy drogi, charakteryzowanej parametrami technicznymi wynikającymi z jej cech funkcjonalnych. Wyróżnia się siedem klas dróg oraz następującą ich hierarchię, zaczynając od drogi o najwyższych parametrach technicznych:

● autostrady, oznaczone symbolem A,

● ekspresowe, oznaczone symbolem S,

● główne ruchu przyspieszonego, oznaczone symbolem GP

oraz drogi o mniejszym znaczeniu, oznaczane symbolami G, Z, L i D. Droga klasy A i S powinna mieć co najmniej dwie jezdnie, każdą przeznaczoną dla jednego kierunku, po co najmniej dwa pasy ruchu (rys. 1.6). Ruch na drogach tej klasy odbywa się z najwyższą prędkością dopuszczalną, uzależnioną od rodzaju pojazdu, sięgającą odpowiednio 140 i 120 km/h. Węzły drogowe na skrzyżowaniach tych dróg budowane są jako bezkolizyjne, ewentualnie częściowo bezkolizyjne. Do celów projektowych określa się dopuszczalny nacisk pojedynczej osi napędowej pojazdu na nawierzchnię jezdni i nawierzchnię przeznaczoną do postoju pojazdów, wynoszący 115 kN w przypadku dróg klasy A, S i GP.

Rys. 1.6. Widok betonowej nawierzchni autostrady o dwóch pasach ruchu i pasie awaryjnym

Konstrukcje rozumiane jako warstwa lub zespół warstw powinny być projektowane i wykonane w taki sposób, aby:

1. przenosiły wszystkie oddziaływania i wpływy mogące występować podczas budowy i podczas użytkowania drogi, jeśli nie są przekraczane dopuszczalne naciski osi pojazdu na nawierzchnię,

2. miały trwałość co najmniej równą okresowi użytkowania określonemu w dokumentacji projektowej, pod warunkiem wykonania czynności utrzymaniowych wynikających z rodzaju wbudowanych materiałów, kosztów użytkowania i zasad utrzymania nawierzchni,

3. nie uległy zniszczeniu w stopniu nieproporcjonalnym do jego przyczyny.

Powyższe wymagania uznaje się za spełnione, jeżeli równocześnie:

1. są spełnione warunki nieprzekroczenia stanów granicznych nośności i stanów granicznych przydatności do użytkowania w każdym z elementów oraz w całej konstrukcji budowli ziemnej i nawierzchni drogi,

2. wbudowywane materiały i wyroby spełniają wymagania Polskich Norm i specyfikacji robót drogowych.

Przekroczenie stanu granicznego nośności nawierzchni stwierdza się, gdy:

1. konstrukcja nawierzchni osiągnęła stan zmęczenia, w którym wartość zastępczego modułu sprężystości nawierzchni stanowi mniej niż 50% wartości początkowej (nośność ocenia się na podstawie ugięć nawierzchni pod obciążeniem),

2. nie mniej niż 20% powierzchni jest pokryte pęknięciami zmęczeniowymi o rozwartości większej niż 2 mm.

Stan graniczny przydatności do użytkowania uważa się za przekroczony, jeżeli powstały uszkodzenia uniemożliwiające bezpieczne użytkowanie nawierzchni, wykazane przez niedostateczną równość podłużną lub poprzeczną lub niedostateczne właściwości przeciwpoślizgowe. Według przepisów krajowych [178] konstrukcja nawierzchni betonowej powinna być tak zaprojektowana, aby stan graniczny nośności i przydatności do użytkowania nie był przekroczony w okresie jej eksploatacji nie krótszym niż 30 lat.

Prawidłowo funkcjonująca nawierzchnia drogowa stanowi gładką powierzchnię, po której z przewidywaną prędkością i bezpiecznie poruszają się pojazdy w każdych warunkach pogodowych. Zapewnienie funkcjonalności wymaga odpowiedniego projektowania, wykonania oraz późniejszego utrzymania nawierzchni. Najważniejszą funkcją nawierzchni jest przeniesienie obciążeń wywołanych ruchem pojazdów bez nadmiernych deformacji. Z uwagi na ekspozycję nawierzchni na oddziaływania klimatyczne ważna funkcja nawierzchni polega na skutecznym odprowadzeniu wody opadowej i gruntowej. Woda stojąca na nawierzchni może powodować aquaplaning (utratę przyczepności) i poślizg kół pojazdów, zwiększyć ryzyko wypadków drogowych. Odprowadzenie wody przenikającej przez szczeliny lub ewentualne spękania w nawierzchni jest ważne, aby unikać szkodliwych zjawisk wypompowywania drobnego kruszywa spod warstwy nawierzchniowej. By przeciwdziałać degradacji funkcjonalności nawierzchni, niezbędne są odpowiednie zabiegi utrzymaniowe.

Stan techniczny nawierzchni zmienia się w procesie użytkowania (z reguły stopniowo pogarsza) oraz po realizacji remontów (z reguły skokowo się polepsza). Cechy eksploatacyjne charakteryzują właściwości nawierzchni w pewnym punkcie czasowym. Podstawowe cechy eksploatacyjne nawierzchni drogowej podane są w tabeli 1.1. Wpływ stosowanych materiałów i technologii wykonania nawierzchni z betonu na wymienione cechy eksploatacyjne będzie szczegółowo omówiony w kolejnych rozdziałach książki.

Właściwości przeciwpoślizgowe definiuje się przede wszystkim na podstawie współczynnika tarcia między oponą koła pojazdu a nawierzchnią, w ustalonych warunkach kontaktu. Użytkownicy dróg oczekują stałej przyczepności opon (brak poślizgu) i ograniczonej długości drogi hamowania pojazdu w różnych warunkach pogodowych. Współczynnik tarcia jest ilorazem siły tarcia rozwijanej między kołem pomiarowym a nawierzchnią drogi do siły nacisku na koło w warunkach pełnej lub częściowej blokady koła pomiarowego. Alternatywnie zamiast wymaganego współczynnika tarcia przepisy w różnych krajach określają wymaganą teksturę nawierzchni. Pojęcie tekstury dotyczy geometrycznego opisu ukształtowania powierzchni warstwy jezdnej nawierzchni, zwłaszcza nierówności; do jej określania służą metody profilometryczne. Zastąpienie wymaganego współczynnika tarcia miarą tekstury nawierzchni opiera się na założeniu, że istnieje bezpośredni związek występowania nierówności na powierzchni jezdni i tarciem między oponą a jezdnią. W tym kontekście trzeba zwrócić uwagę na występującą w tabeli 1.1 sprzeczność między brakiem nierówności przy wymaganej równości bliskiej idealnej a występowaniem nierówności z powodu pożądanego współczynnika tarcia. Sprzeczność jest tylko pozorna, ponieważ określenia dotyczą nierówności w innej skali: do poprawy przyczepności opon do nawierzchni wystarczą nierówności profilu o głębokości od dziesiętnych części milimetra do ok. 1,2 mm (tzw. makrotekstura), które nie wpływają na odczuwany komfort jazdy określany przez równość podłużną i poprzeczną nawierzchni.

Tabela 1.1. Podstawowe cechy eksploatacyjne nawierzchni na podstawie [50]

Cecha

Objaśnienie

Nośność

zdolność nawierzchni do przenoszenia obciążeń od ruchu drogowego; powinna być utrzymana przez cały okres eksploatacji

Równość

określa, w jakim stopniu powierzchnia nawierzchni drogowej odpowiada powierzchni płaskiej (idealnej); poprzeczna i podłużna – odpowiednio wzdłuż i w poprzek kierunku jazdy

Właściwości przeciwpoślizgowe

charakteryzują przyczepność między nawierzchnią a oponą pojazdu, zwłaszcza zdolność do wytwarzania oporu tarcia podczas poślizgu koła

Cechy powierzchniowe

charakterystyka widocznych uszkodzeń nawierzchni oraz inne jej właściwości, istotne ze względów eksploatacyjnych

Wymienione cechy eksploatacyjne są przedmiotem oceny zarówno przy odbiorze zbudowanej nawierzchni, jak i przy okresowym przeglądzie jej stanu technicznego [50]. Ograniczona hałaśliwość nawierzchni nie jest formalnie wymaganą cechą eksploatacyjną, ale rozwój techniki w tym zakresie pozwala na formułowanie takich oczekiwań i skuteczną budowę nawierzchni tzw. cichych, o czym wspomniano w dalszych rozdziałach.

2

Obciążenia i oddziaływania środowiskowe

2.1. Kategorie obciążenia ruchem

Do podstawowych oddziaływań na konstrukcję betonowej nawierzchni drogowej zalicza się obciążenie kołami pojazdów samochodowych, a zwłaszcza pojazdów ciężkich. Określenie pojazdów ciężkich dotyczy pojazdów, których masa całkowita przekracza 3,5 t. Zalicza się do nich samochody ciężarowe bez przyczep, samochody ciężarowe z przyczepami (zespoły pojazdów), ciągniki siodłowe z naczepami (pojazdy członowe) oraz autobusy.

Obciążenie nawierzchni ruchem drogowym obejmuje różnorodne pojazdy mające zróżnicowaną masę, wymiary i liczbę osi. Na podstawie szeroko zakrojonych badań drogowych AASHTO [1] opracowano współczynniki równoważności dla różnych konstrukcji nawierzchni, które dotyczą uszkodzeń (zmierzonych zmian użyteczności nawierzchni) spowodowanych różnymi konfiguracjami obciążenia i osi pojazdów, w odniesieniu do standardowego obciążenia pojedynczej osi 80 kN. Dzięki wykorzystaniu współczynników równoważności różnorodność ruchu może być przeliczona na jedną charakterystykę, nazwaną równoważnym obciążeniem jednoosiowym (equivalent single axle load, ESAL). Termin ESAL jest najczęstszym wskaźnikiem ruchu wykorzystywanym w procesie projektowania i jest obliczany przez wiele agencji autostradowych.

Klasyfikacja ruchu pojazdów po nawierzchniach w Polsce jest przedstawiona w katalogu [200]. Z uwagi na znaczne zwiększenie mas pojazdów poruszających się po drogach jako standardowe obciążenie osi pojedynczej przyjmuje się obecnie obciążenie 100 kN lub 115 kN. Klasyfikację ruchu pod względem obciążenia nawierzchni drogowej przeprowadza się na podstawie sumarycznej liczby przejazdów osi standardowej w całym projektowanym okresie użyteczności nawierzchni. Przyjmuje się 30-letni projektowany okres eksploatacji nawierzchni betonowej, aczkolwiek metody projektowania stosowane w USA dotyczą nawet 50-letniego okresu eksploatacji. Natomiast we Francji kategorię ruchu wyznacza się na podstawie sumarycznej liczby równoważnych osi standardowych 130 kN w okresie projektowym, przyjmując współczynniki przeliczeniowe (tzw. współczynniki agresywności ruchu pojazdów) w zależności od średniego dobowego ruchu pojazdów ciężkich w roku oddania nawierzchni do eksploatacji, rodzaju konstrukcji nawierzchni i typu projektowanej warstwy.

Do wyznaczenia kategorii ruchu niezbędne jest określenie tzw. ruchu rzeczywistego, tj. prognozowanej liczby i rodzaju (sylwetki) pojazdów ciężkich poruszających się w przekroju drogi w całym okresie projektowym [185]. Wykorzystuje się dane ze stacji ważenia pojazdów w ruchu rozmieszczonych w całym kraju. Współczynniki przeliczeniowe pojazdów ciężkich uwzględniają stopień agresywności oddziaływania pojazdów ciężkich o konkretnym rozkładzie nacisków na oś (por. rys. 2.1) na nawierzchnię; są wyrażone liczbą osi standardowych przypadających na jeden pojazd ciężki. Podstawową zasadą przy ustalaniu współczynników przeliczeniowych jest określenie szkody zmęczeniowej w nawierzchni od pojazdu samochodowego i osi standardowej w modelu obliczeniowym. Klasyfikację ruchu projektowego ze względu na sumaryczną liczbę osi standardowych 100 kN (N_100) i 115 kN (N_115) przedstawiono w tabeli 2.1. Kategorie ruchu od KR5 do KR7 dotyczą dróg ekspresowych i autostrad, zwłaszcza na transgranicznych trasach międzynarodowych i w pobliżu dużych aglomeracji miejskich, przemysłowych. W przypadku projektowania skrzyżowań kategorię ruchu należy dobierać jak do projektowania konstrukcji nawierzchni najbardziej obciążonego ruchem wlotu drogi. Kategorię ruchu pasów awaryjnych oraz pasów włączenia i wyłączenia przyjmuje się taką samą jak dla pasów ruchu na jezdni.

Rys. 2.1. Przykładowy rozkład obciążenia na osie pojazdów ciężarowych

Tabela 2.1. Klasyfikacja ruchu projektowego odpowiadająca sumarycznej liczbie przejazdów osi standardowych w projektowanym 30-letnim okresie użyteczności betonowej nawierzchni betonowej [200]

Kategoria ruchu

Sumaryczna liczba N_100

[milion osi 100 kN na pas obliczeniowy]

Sumaryczna liczba N_115

[milion osi 115 kN na pas obliczeniowy]

KR1

0,045  < N_100 ≤ 0,15

0,017  < N_115 ≤ 0,06

KR2

0,15  < N_100 ≤ 0,75

0,06  < N_115 ≤ 0,28

KR3

0,75  < N_1_00 ≤ 6,39

0,28  < N_115 ≤ 2,40

KR4

6,39  < N_100 ≤ 15,99

2,40  < N_115 ≤ 6,00

KR5

15,99  < N_100 ≤ 42,63

6,00  < N_115 ≤ 16,00

KR6

42,63  < N_100 ≤ 101,25

16,00  < N_115 ≤ 38,00

KR7

N_100 > 101,25

N_115 > 38,00

Obecność Polski we wspólnocie europejskiej łączy się m.in. ze swobodą przepływu towarów i usług między krajami członkowskimi UE, dlatego prowadzone są prace unifikacyjne, przekształcające system dróg o różnych parametrach eksploatacyjnych w spójną europejską sieć transportową. Dotyczy to zwłaszcza tzw. transeuropejskiej sieci transportowej TEN-T, która ma zostać utworzona do roku 2030, aby wspierać wspólny rynek i stymulować wzrost gospodarczy. Zgodnie z przepisami unijnymi definiuje się tzw. drogi o wysokiej jakości – pełniące istotne funkcje w dalekobieżnym przewozie osób i towarów, integrujące główne ośrodki miejskie i gospodarcze, zapewniające wzajemne połączenia z innymi rodzajami transportu oraz łączące regiony górskie, odległe regiony bez dostępu do morza i regiony peryferyjne z centralnymi regionami Unii. Drogi te są w odpowiedni sposób utrzymywane, aby zapewnić bezpieczeństwo i ochronę ruchu [52]. Drogi o wysokiej jakości są projektowane i budowane specjalnie dla potrzeb ruchu samochodowego i mają postać autostrad, dróg ekspresowych lub konwencjonalnych dróg strategicznych.

Kategoryzacja obciążenia projektowego na nawierzchnie znana jest też w innych krajach europejskich. W tabeli 2.2 przedstawiono klasyfikację obciążenia konstrukcji drogowych w Niemczech, wprowadzoną w roku 2012 [179]. W stosunku do poprzedniej wersji z roku 2001 wprowadzono zasadnicze zmiany wynikające z obserwowanego zwiększenia intensywności ruchu drogowego, uwzględniono prognozowany wzrost ruchu ciężkiego oraz zwiększono współczynniki przeliczeniowe osi rzeczywistych na standardowe. Ruch projektowy według katalogu austriackiego RVS 03.08.63 z 2008 roku [183] klasyfikuje się według siedmiu kategorii ruchu:

● VI – ruch najlżejszy,

● V, IV, III, II, I i S – ruch najcięższy.

Tabela 2.2. Klasyfikacja ruchu projektowego w Niemczech na podstawie sumarycznej liczby przejazdów osi standardowych w projektowanym okresie użytkowania nawierzchni [179]

Kategoria obciążenia konstrukcji drogowej

Sumaryczna liczba osi obliczeniowych

[milion osi 100 kN]

Bk 100

ponad 32

Bk 32

od 10 do 32

Bk 10

od 3,2 do 10

Bk 3.2

od 1,8 do 3,2

Bk 1.8

od 1,0 do 1,8

Bk 1.0

od 0,3 do 1,0

Bk 0.3

do 0,3

Aby określić kategorię ruchu, należy obliczyć liczbę równoważnych osi standardowych 100 kN w okresie projektowym, wynoszącym 30 lat w przypadku nawierzchni betonowych. Liczbę równoważnych osi standardowych oblicza się na podstawie dobowej liczby równoważnych osi standardowych dla całego przekroju w chwili oddania drogi do ruchu i uwzględnia współczynniki rozkładu ruchu i rozkładu kół w obrębie pasa ruchu, przyjmując jednocześnie odpowiedni współczynnik wzrostu ruchu w kolejnych latach. Sposób obliczania jest podobny jak w rozwiązaniach krajowych, natomiast przy projektowaniu nawierzchni dróg w Wielkiej Brytanii przyjmuje się 40-letni okres eksploatacji [130]. W odróżnieniu od wcześniej wspomnianej metody wyznaczania ruchu projektowego na podstawie ESAL zgodnie z metodą projektowania nawierzchni ME [134] w USA wprowadzono zupełnie nowe podejście do określania obciążenia ruchem drogowym do celów projektowania konstrukcji nawierzchni. Odstąpiono od charakteryzowania ruchu za pomocą liczby równoważnych osi standardowych. Przyjęto koncepcję określania szkody zmęczeniowej nawierzchni, wywołanej obciążeniem rzeczywistymi osiami o zmiennych naciskach, na podstawie obliczeń w kolejnych godzinach i w kolejnych miesiącach w trakcie całego okresu eksploatacji nawierzchni. Metoda taka umożliwia wnikliwe i dokładne opisanie narastania uszkodzeń nawierzchni pod warunkiem dostępności danych ze stacji ważenia pojazdów w ruchu.

2.2. Oddziaływania środowiskowe

Oddziaływania klimatyczne i eksploatacyjne na nawierzchnie drogowe mają duże znaczenie, ponieważ występują jednocześnie wraz z obciążeniem ruchem pojazdów i mogą wzmacniać jego skutki. Do najważniejszych zalicza się oddziaływanie temperatury i wilgotności otoczenia, oddziaływanie wody opadowej, lodu i śniegu. Na etapie budowy nawierzchni, tj. podczas układania mieszanki betonowej i wczesnego dojrzewania betonu, ważne są też dodatkowe czynniki pogodowe, jak wiatr i nasłonecznienie. Właściwa charakterystyka oddziaływań klimatycznych obejmuje przede wszystkim zakres temperatury powietrza występującej w danym miesiącu lub porze roku, liczbę cykli zamrażania i rozmrażania oraz roczne opady. Na podstawie średniej temperatury w najzimniejszym miesiącu kwalifikuje się srogość zimy: tzw. zimy mroźne występują w Polsce i w sąsiednich krajach Europy Środkowej, także we wschodniej i północnej oraz zachodniej części kontynentu. Południową granicę obszaru występowania mroźnych zim na kontynencie amerykańskim wyznacza orientacyjnie równoleżnik 40°N.

Terytorium Polski leży w umiarkowanej, przejściowej strefie klimatycznej. Obszar jest przecinany przez masy powietrza zarówno znad Oceanu Atlantyckiego, jak i z centrum kontynentów Eurazji. Wpływy kontynentalne wzrastają stopniowo wraz z przesunięciem z zachodu na wschód. Na temperaturę powietrza wpływają przede wszystkim cyrkulacja powietrza, promieniowanie słoneczne i wysokość nad poziomem morza. Średnia roczna temperatura powietrza maleje od południowego zachodu do północno-wschodniego krańca Polski. Na rys. 2.2 przedstawiono mapy temperatury minimalnej w styczniu i maksymalnej w okresie 30 lat, wskazujące na zróżnicowane pogody w różnych regionach kraju. W części północnej i zachodniej przeważa klimat umiarkowany morski z łagodnymi zimami i chłodnymi latami z dużymi opadami, natomiast w części wschodniej jest on bardziej kontynentalny, z mroźnymi zimami i bardziej suchymi latami.

Rys. 2.2. Mapy temperatury (a) minimalnej w styczniu i (b) maksymalnej w Polsce w okresie 30 lat [94]

Na podstawie przeprowadzonej analizy temperatury w okresie 10 lat ze stacji meteorologicznych zlokalizowanych na polskich drogach krajowych Pszczoła i in. [162], [163] wyznaczyli temperaturę na nawierzchni oraz rozkład temperatury na głębokości konstrukcji drogi. W północno-wschodniej części Polski stwierdzono najniższą temperaturę na powierzchni, wynoszącą ok. –24°C (rys. 2.3), natomiast na głębokości 5 cm poniżej powierzchni temperatura była wyższa o ok. 2–4°C, a na głębokości 30 cm wyższa o ok. 20°C. Nawet na tej głębokości od powierzchni można zatem oczekiwać występowania temperatury poniżej 0°C.

Rys. 2.3. Strefy klimatyczne w Polsce wyznaczone na podstawie (a) wartości średnich z minimalnej rocznej temperatury powietrza oraz (b) maksymalnej średniej 7-dniowej z najwyższej temperatury powietrza [163]

Występujące cykle przejścia temperatury przez 0°C również charakteryzują oddziaływanie temperatury na beton w nawierzchni. Dane ze stacji meteorologcznych zebrane przez Pszczołę i in. wskazują na występowanie od 61 do 81 cykli przejścia przez 0°C w sezonie zimowym. Liczba przejść temperatury na nawierzchni przez –5°C lub przez –10°C znacząco różnicuje regiony kraju: w województwie podlaskim wyniosła odpowiednio 41 i 12, natomiast w województwie opolskim odpowiednio 18 i 4. W konsekwencji trzykrotnie większej liczby cykli można oczekiwać znacząco różnych skutków oddziaływania mrozu na nawierzchnie w tych przykładowych regionach, a także innych, zgodnie z pokazanymi mapami.

Mapę ilustrującą rozkład maksymalnej temperatury powietrza w Polsce przedstawiono na rys. 2.3. Przedział temperatury maksymalnej wynosi od 24°C w pasie nadmorskim do 30°C na znacznym obszarze części centralnej i południowej Polski. Z uwagi na potencjalnie szkodliwe oddziaływanie na nawierzchnie ważne jest też występowanie nadzwyczaj gorących dni, tj. o temperature przekraczającej 32°C. Przykładowe dane charateryzujące gorące dni w ośmiu dekadach XX wieku w Chicago wskazują na występowanie średnio 2–3 takich dni w roku, co trzeba odpowiednio uwzględnić przy projektowaniu nawierzchni.

Ważnym aspektem oddziaływania temperatury otoczenia na nawierzchnie drogowe jest głębokość przemarzania gruntu (rys. 2.4a) w rejonie projektowanej drogi. Zjawisko to ma zasadniczy negatywny wpływ na konstrukcję drogową. Stosownie do głębokości przemarzania dobiera się rodzaje materiałów, grubość warstw podbudowy i ulepszonego podłoża [165].

Rys. 2.4. Mapy ilustrujące (a) strefy przemarzania gruntu oraz (b) strefy rozpoczęcia sezonu zimowego w Polsce na podstawie trzydziestoletnich obserwacji w latach 1981–2013

Źródło: 200 (a), 55 (b)

Przypisy

1 Bliższe objaśnienie w rozdziale 2.

2 American Association of State Highway Officials – Amerykańskie Stowarzyszenie Wyższych Urzędników Stanowej Administracji Drogowej, w 1973 roku przemianowane na American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO).

3 Bliższe objaśnienie w rozdziale 13.