Nawierzchnie drenażowe - Porous Asphalt (PA)

Pierwsze nawierzchnie drenażowe budowano w latach siedemdziesiątych w Stanach Zjednoczonych. Celem ich stosowania było sprawne odprowadzenie wody z powierzchni jezdni oraz ograniczenie rozpryskiwania się wody opadowej pod powierzchnią kół pojazdów samochodowych. Po wykonaniu odcinków doświadczalnych zauważono, że oprócz sprawnego odprowadzenia wody z powierzchni jezdni zmniejszył się również hałas generowany na styku opona – nawierzchnia. 

Cechą charakterystyczną nawierzchni porowatej jest otwarta struktura, co jest spowodowane obecnością frakcji grysowej w ilości przekraczającej 80% m/m. Poniżej przedstawiono uziarnienie mieszanki mineralnej oraz minimalną zawartość lepiszcza asfaltowego wg [2]:

Tabela 1. Uziarnienie mieszanki mineralnej oraz minimalna zawartość lepiszcza asfaltowego

Właściwości	Przesiew, [%(m/m)]
	PA 8    (KR3-4)		PA 11      (KR3-6)		PA 16       (KR3-6)
Wymiar sita	od	do	od	do	od	do
22	-	-	-	-	100	-
16	-	-	100	-	90	100
11,2	100	-	90	100	5	15
8	90	100	5	15	-	-
5,6	5	15	-	-	-	-
2	5	10	5	10	5	10
0,063	3	5	3	5	3	5
Minimalna zawartość lepiszcza	Bmin 6,5		Bmin 6,0		Bmin 5,5

Warstwa z nawierzchni porowatej stosowana jest jako ścieralna (PA8 i PA11)  i wiążąca (PA16) dla kategorii ruchu KR3 – KR6. Krzywe graniczne uziarnienia mieszanki mineralnej stosowanej do nawierzchni z asfaltu porowatego PA 8 przedstawiono na poniższym wykresie:

Rys. 1 Krzywe graniczne uziarnienia mieszanki mineralnej SMA 11

Aby uzyskać otwartą strukturę mieszanki porowatej należy ograniczyć stosowanie stosu okruchowego o frakcji pośredniej, co umożliwia warstwom z asfaltu porowatego odprowadzenie wody z powierzchni jezdni. Dzięki temu nie dochodzi do zjawiska akwaplanacji, którego nie da się uniknąć w przypadku stosowania innych mieszanek mineralno asfaltowych.  Pory w warstwie drenażowej tworzą system kanalików, przez które woda jest odprowadzana z powierzchni jezdni. Porównanie działania odwodnienia nawierzchni drenażowej oraz nawierzchni nieprzepuszczalnej przedstawiono na poniższym zdjęciu:

Rys. 2 Zmniejszenie efektu akwaplanacji na nawierzchni drenażowej (Chriszwolle)

PA zawiera w sobie około 17-25% wolnych przestrzeni. Do wykonania tej mieszanki należy stosować kruszywo o bardzo dobrej jakości. Zalecane jest stosowanie wysokiej klasy kruszywa łamanego, które jest odporne na ścieranie, polerowanie itp.

Otwarta struktura nawierzchni porowatych pozytywnie wpływa na odporność na deformacje trwałe lepko-plastyczne, ale jednocześnie przyczynia się do skrócenia trwałości (odmywanie lepiszcza, ubytek ziaren, szybsze starzenie lepiszcza). Aby zachować trwałość konstrukcji należy zamiast asfaltu drogowego, stosować lepiszcze modyfikowane. Autorzy wymagań technicznych WT2 [2] zalecają asfalty: PMB 45/80-55, PMB 45/80-65 lub PMB 65/105-60 w ilości około 5,5 – 6,5% mieszanki mineralno asfaltowej. Asfalt modyfikowany również pozytywnie oddziałuje na odporność na deformacje trwałe - w wyższych temperaturach polimer usztywnia nawierzchnie, w niższych poprawia ich elastyczność.

Pomiędzy warstwą z asfaltu porowatego i warstwą wiążącą należy wykonać warstwę wodoszczelną, która uniemożliwi przedostaniu się wody do niższych warstw konstrukcji. Jako warstwę hydroizolacyjną stosuje się przykładowo membranę natryskową Flexigum HP. Bardziej klasycznym rozwiązaniem jest stosowanie emulsji asfaltowej bądź asfaltu modyfikowanego w ilości 1,5-2,2 kg/m², który kolejno jest posypany kruszywem łamanym. Szczelna warstwa podobnie jak powierzchnia nawierzchni z asfaltu porowatego musi mieć większy spadek poprzeczny (min. 2,5%), by przyspieszyć spływ wody na pobocze. Działanie nawierzchni drenażowych przedstawiono na poniższym rysunku:

Rys. 3 Odprowadzenie wody opadowej z nawierzchni drenażowej

Produkcja mieszanki PA nie różni się w istocie od produkcji innych mieszanek mineralno-asfaltowych. Temperatura wytwarzania jest uzależniona od rodzaju stosowanego asfaltu. Temperatury asfaltów stosowanych do mieszanek drenażowych mieszczą się w zakresie od 180°C do 220°C (temperatury technologiczne podane są w [2]).

Temperatura wbudowania nawierzchni powinna oscylować w granicach od 130°C do 160°C. Zagęszczanie warstw porowatych należy wykonywać przy pomocy walców w sposób tylko i wyłącznie statyczny. Zaleca się układanie mieszanki od razu na całej szerokości jezdni i ograniczanie szwów technologicznych. Ruch na wykonanej drodze można puścić nie wcześniej niż 24 godziny po zakończeniu prac. Budowę innych obiektów takich jak kładki dla pieszych należy zaplanować przed układaniem nawierzchni porowatej. Ruch budowlany na gotowej nawierzchni powoduje zanieczyszczenie porów nawierzchni drenażowej, dlatego ułożenie i zagęszczenie warstwy z asfaltu porowatego  powinny być ostatnimi krokami realizacji projektu.

Wady oraz ograniczenia stosowania nawierzchni drenażowych

Nawierzchnie porowate mają zarówno zalety, jak również wady i ograniczenia. Otwarta struktura przyczynia się do słabszej odporności warstwy z PA na działanie sił ścinających. W efekcie nie należy budować nawierzchni asfaltowych w okolicach skrzyżowań, rond, na krętych drogach oraz na drogach o większych pochyleniach podłużnych (niektóre źródła podają maksymalny spadek 5% [4]).

Eksploatowane nawierzchnie drenażowe sprawiają więcej kłopotów zarządcom dróg, niż nawierzchnie tradycyjne. Konieczne jest oczyszczanie tego typu nawierzchni przynajmniejraz do roku w okresie wiosennym. W tym celu wykorzystywane są pojazdy z odpowiednimi urządzeniami płuczącymi pory pod ciśnieniem oraz ssącymi wypłukane części. Nie należy stosować pojazdów z zamontowanymi szczotkami z przodu, ponieważ wciskają one pył drogowy w pory oraz mogą się przyczynić do uszkodzeń powierzchniowych nawierzchni. Oczyszczanie zapewnia nam dobry odpływ wody. Wg [1] istnieje możliwość częściowego samooczyszczania się jezdni. Służą temu większy ruch samochodowy, większe prędkości pojazdów oraz obciążenia od poruszających się pojazdów ciężarowych.

Ze względu na możliwość zabrudzenia otwartej struktury mieszanki porowatej nie należy jej stosować w miejscach, gdzie zwiększony jest udział ruchu pojazdów przemysłowych, maszyn rolniczych oraz budowlanych. Wg [1] przy niższej prędkości niż 55 km/h w przypadku samochodów osobowych oraz niższej niż 70 km/h w przypadku samochodów ciężarowych nie jest generowany hałas na styku nawierzchnia-opona, dlatego nawierzchnie porowate należy wykonywać na drogach z wyższym limitem prędkości.

Wykonanie oraz utrzymanie nawierzchni porowatych jest droższe niż w przypadku nawierzchni z klasycznej mieszanki mineralno-asfaltowej [1]. Wysokie koszty są spowodowane koniecznością stosowania bardzo wysokiej jakości kruszywa oraz asfaltów modyfikowanych. Wyższe koszty utrzymania spowodowane są możliwością zatykania się porów w PA oraz kosztami związanymi w utrzymaniem zimowym dróg. Zimą nie można stosować środków mogących zatkać pory występujące w nawierzchni drenażowej - zamiast piasku wykorzystywana jest solanka o podwyższonej zawartości soli.

Zalety nawierzchni drenażowych

  

Otwarta struktura PA ma działanie absorbujące hałas. Zmniejszenie hałasu nawierzchni porowatej w stosunku do tradycyjnych nawierzchni wynosi od 3 do 5 dB [1], a  w przypadku nawierzchni drenażowych dwuwarstwowych mówi się nawet o 8 dB. Zmniejszenie hałasu o 3 dB daje efekt taki, jakby natężenie ruchu drogowego zostało zmniejszone dwukrotnie. Dzieje się tak, ponieważ ludzkie ucho nie działa „liniowo”, tylko „logarytmicznie”. Dwukrotny wzrost natężenia dźwięku nie oznacza, że dźwięk jest przez organizm ludzki odbierany jako dwukrotnie głośniejszy. Można to przedstawić przy pomocy wzoru na poziom natężenia dźwięku, wyrażany w decybelach [dB]:

β=10∙log(I/I₀)

β - poziom natężenia dźwięku [dB]

I - natężenie fali dźwiękowej [W/m²] 

I₀ - natężenie progu słyszalności, I₀ = 10^-12 W/m²

Dla natężenia dźwięku równego I = 10^-5 W/m² poziom natężenia dźwięku jest równy 70 dB. Zmniejszając natężenie dwukrotnie (I = 0,5∙10^-5 W/m²) poziom natężenia dźwięku β jest równy o 3 dB mniejszy, czyli 67 dB. 

Nawierzchnie porowate w Polsce dopiero od kilku lat są akceptowane przez środowisko drogowe [3]. Naukowcy początkowo przewidywali, że tego typu nawierzchnie nie będą w stanie wytrzymać ostrych zim, jakie panują w naszym kraju. Tłumaczono to tym, że woda przenikająca w pory po zamarznięciu miałaby mieć negatywny wpływ na trwałość warstwy ścieralnej wykonanej z asfaltu porowatego. Podobnym tokiem myślenia wykazywali się Niemcy - jednak po kalkulacji doszli do wniosku, że bardziej opłacalne jest wykonanie nawierzchni porowatej o krótszej trwałości, ale za to zmniejszającej hałas komunikacyjny. Pozwala to zaoszczędzić środki pieniężne na drogich i często nieestetycznych ekranach akustycznych. 

Kolejną zaletą nawierzchni asfaltowych jest brak zjawiska akwaplanacji – nie dochodzi do utraty przyczepności opony podczas jazdy po mokrej nawierzchni. Poprawiona jest również widoczność  - woda zostaje odprowadzona przez system drenujący, dzięki czemu nie dochodzi do rozpryskiwania się jej pod kołami pojazdów.

Dzięki odpowiedniemu rodzajowi mieszanki mineralnej oraz zastosowaniu asfaltów modyfikowanych nawierzchnia jest odporna na powstanie deformacji lepkoplastycznych (kolein).  

W dużej mierze można zapobiec wadom nawierzchni porowatych. Wydłużenie trwałości - przez dobre zaprojektowanie składu mieszanki mineralnej oraz stosowanie asfaltu modyfikowanego. Regularne oczyszczanie zatkanych porów wydłuża okres eksploatacji zachowując przy tym właściwości nawierzchni (obniżenie poziomu hałasu oraz zapobieganie rozpryskiwaniu się wody pod kołami). Coraz więcej firm w Polsce ma dostęp do odpowiedniego sprzętu oczyszczającego nawierzchnie z asfaltu porowatego. Stosowanie PA na drogach o większym limicie prędkości przyczynia się do redukcji kosztów eksploatacji dzięki samooczyszczaniu się nawierzchni porowatych. Odpowiednie reagowanie przy zimowym utrzymaniu eliminuje problemy z zatykaniem porów zimą przez lód i powstaniem gołoledzi na drodze.

inż. Łukasz Dutka

Literatura:

1. J. Piłat, P. Radziszewski: "Nawierzchnie asfaltowe", Wydawnictwa Komunikacji Łączności, Warszawa 2004.

2. "Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych. WT-2 2010. Mieszanki mineralno-asfaltowe. Wymagania techniczne", Załącznik nr 2 do zarządzenia nr 102 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia 19 listopada 2010 r. 

3. A. Serbeńska: "Drogi ciche, bo porowate" w: edroga.pl

4. J. Olszacki: "Przegląd doświadczeń projektowania i wykonywania nawierzchni porowatych" w Nawierzchnie Asfaltowe 4/2006.

SMA - Stone Mastic Asphalt

SMA ( Dario Rigon)

Zwiększające się natężenie ruchu drogowego było powodem poszukiwań nowych sposobów wydłużenia trwałości nawierzchni drogowych przez inżynierów. Najbardziej narażona na uszkodzenia jest warstwa ścieralna przez swoje położenie. Bezpośredni wpływ na tę część konstrukcji nawierzchni mają czynniki klimatyczne, środowiskowe oraz obciążenia od kół pojazdów. Technologia mieszanek mineralno-asfaltowych typu SMA została opracowana w latach sześćdziesiątych w Niemczech, rozpowszechniona na świecie dwadzieścia lat później i jest zalecana dla dróg szczególnie obciążonych ruchem drogowym.

Rys. 2 Tekstura warstwy ścieralnej z SMA (Klaruw System)

Mieszankę SMA od betonu asfaltowego wyróżnia skład ilościowy mieszanki mineralnej. Mieszanka mineralna o nieciągłym uziarnieniu zawiera dużą ilość grysów (60 – 80%), które tworzą szkielet nośny. Pory wypełniane są mastyksem, czyli mieszanką mączki wapiennej oraz asfaltu. Zagęszczenie warstwy ścieralnej SMA powoduje klinowanie się grysów, przez co w efekcie otrzymujemy warstwę o lepszej odporności na deformacje trwałe o charakterze lepkoplastycznym (koleiny). W wymaganiach technicznych WT-2 [2] zostały stabelaryzowane wartości krzywych granicznych dla mieszanki SMA w zależności od kategorii ruchu oraz maksymalnego wymiaru ziaren w mieszance. 

Tabela 1. Uziarnienie mieszanki mineralnej oraz minimalna zawartość lepiszcza asfaltowego

Właściwości	Przesiew, [%(m/m)]
	SMA 5                          KR3-4		SMA 8                          KR3-6		SMA 11                          KR3-6
Wymiar sita	od	do	od	do	od	do
16	-	-	-	-	100	-
11,2	-	-	100	-	90	100
8	100	100	90	100	50	65
5,6	90	100	35	60	35	45
2	30	40	20	30	20	30
0,125	10	19	9	17	9	17
0,063	7	12	7	12	8	12
Zawartość środka stabilizującego, [%(m/m)]	0,3	1,5	0,3	1,5	0,3	1,5
Minimalna zawartość lepiszcza [%]	7,20		7,00		6,40

Krzywe graniczne uziarnienia mieszanki mineralnej dla SMA 11 przedstawiono na poniższym wykresie:

Rys. 3 Krzywe graniczne uziarnienia mieszanki mineralnej SMA 11

Oprócz większej ilości grysów w mieszankach typu SMA dozowana jest duża ilość wypełniacza (około 10%) oraz zwiększona ilość asfaltu (powyżej 6,4%). Minimalna zawartość lepiszcza w recepcie powinna być wyższa od podanej minimalnej wartości w tabeli o 0,3, gdzie zawarto błąd dozowania lub błąd badania. Duża ilość mastyksu wpływa na zwiększenie trwałości mieszanki wbudowanej w nawierzchnię drogową. Wg [1] mieszanka ta jest nieprzepuszczalna dla wody i powietrza, odporna na działanie wilgoci oraz przyspieszone starzenie się lepiszcza asfaltowego.

SMA stosowana jest tylko jako warstwa ścieralna konstrukcji nawierzchni drogowej. Rodzaj stosowanego lepiszcza uzależniony jest od kategorii ruchu [2]. Dla KR3 oraz KR4 można stosować asfalt o penetracji 50/70, wielorodzajowy 50/70, PMB 45-80/55, PMB 45-80/65. Drogi o większym natężeniu ruchu drogowego – KR5 oraz KR6 – wykonujemy z SMA z lepiszczem modyfikowanym elastomerem – PMB 45/80-55, PMB 45/85-6. W obu przypadkach, gdy wykonujemy warstwę SMA na gorąco o grubości nie większej niż 3,5 cm można zastosować asfalt o większej penetracji – PMB 65/105-60. W wymaganiach technicznych zalecane jest stosowanie lepiszczy, podanych w tabeli poniżej:

Tabela 2. Rodzaj lepiszczy asfaltowych zalecanych do SMA

Materiał	Kategoria ruchu
	KR3-4	KR5-6
Lepiszcze asfaltowe c)	50/70, PMB 45/80-55, PMB 45/80-65, wielorodzajowy 50/70, PMB 65/105-60b)	PMB 45/80-55, PMB 45/80-65, PMB 65/105-60b)
b) do cienkiej warstwy na gorąco z SMA o grubości nie większej niż 3,5cm, c) na podstawie aprobat technicznych mogą być stosowane także inne lepiszcza nienormowe

Kruszywa najczęściej stosowane w mieszance SMA to bazalt, granit, dolomit czy melafir. Prowadzone były również badania porównawcze kruszywa bazaltowego oraz kruszywa gabro [3]. Mieszanka SMA z kruszywem gabro osiągała nie tylko lepsze wyniki badania odporności na koleinowanie, ale także poprawiała jasność i widoczność nawierzchni.

Warstwa ścieralna z mieszanki SMA jest bezpieczniejsza dla ruchu pojazdów samochodowych. Odpowiednia tekstura warstwy ścieralnej z mastyksu grysowego zapewnia odpowiednie odprowadzenie cienkiej warstwy wody, która może powodować utratę kontaktu między oponą a nawierzchnią. Kolejnymi zaletami mieszanek SMA, powodującymi poprawę bezpieczeństwa ruchu jest zapobieganie olśnieniu światłami pojazdów jadących z przeciwka oraz poprawienie widoczności oznakowania poziomego [1]. Warto również zwrócić uwagę na zmniejszenie hałaśliwości ruchu samochodowego. 

Oprócz na drogach, na których występuje duże obciążenie ruchem, SMA może być stosowana jako cienka warstwa ścieralna na gorąco na drogach KR1-KR2. Uziarnienie mieszanki mineralnej to 0/4 mm, 0/5 mm, 0/6,3 mm. Technologię tę wykorzystuje się również na ciągach pieszych oraz drogach rowerowych. SMA (0/8 mm, 0/9,6 mm) zaleca się stosować również w okolicach skrzyżowań, zatok autobusowych, pasach powolnego ruchu, które to miejsca są narażone na powstanie deformacji trwałych lepkoplastycznych. 

Rys. 4 Warstwa ścieralna z SMA - Brescia, A4 (Misterdeiv)

Mieszankę SMA produkuje się w wytwórni mas bitumicznych. Kolejno zaleca się dozowanie mieszanki mineralnej, następnie dodaje się stabilizator i przez czas od 5 do 10 s miesza się MM na sucho. Następnie dozuje się lepiszcze asfaltowe i miesza wszystkie składniki. Temperatury technologiczne powinny być uzależnione od rodzaju użytego asfaltu.

Transport powinien odbywać się przy pomocy samochodów samowyładowczych. Samochody powinny być wyposażone w przynajmniej przykrycie brezentowe, którego zadaniem jest ochrona mieszanki przed wychłodzenie w trakcie transportu oraz przed wbudowaniem jej. Układanie mieszanki SMA wykonywane jest przy użyciu rozściełacza z włączoną wibracją. Elementy rozściełacza służące do zagęszczenia oraz rozłożenia mieszanki, muszą zostać uprzednio ogrzane. Na ułożoną warstwę należy rozsypać piasek łamany w ilości 1kg/m² lub grysem 2-4 mm w ilości 1 – 2 kg/m². Tak przygotowaną warstwę zagęszcza się przy pomocy walców stalowych. Zagęszczanie powinno rozpocząć się niezwłocznie po posypaniu warstwy piaskiem lub grysem. 

W początkowym okresie eksploatacji słabsze są właściwości przeciwpoślizgowe. Koszt budowy SMA jest wyższy niż betonu asfaltowego (AC) ze względu na stosowane materiały – większa ilość asfaltu, lepsze kruszywo. Jednak koszty zwracają się poprzez możliwość wbudowania cieńszej warstwy niż z AC oraz większe przerwy międzyremontowe.

inż. Łukasz Dutka

Literatura:

1. J. Piłat, P. Radziszewski: "Nawierzchnie asfaltowe", Wydawnictwa Komunikacji Łączności, Warszawa 2004.

2. "Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych. WT-2 2010. Mieszanki mineralno-asfaltowe. Wymagania techniczne", Załącznik nr 2 do zarządzenia nr 102 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia 19 listopada 2010 r.