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. 

Postępowanie poprzedzające rozpoczęcie robót budowlanych - o specustawie drogowej - cz. I

Nim dojdzie do realizacji inwestycji drogowej musi zostać spełniony szereg formalności. Przygotowanie inwestycji polega między innymi na złożeniu wniosków o pozwolenie na budowę czy nabyciu nieruchomości pod budowaną drogę. Plany budowy, remontu czy przebudowy drogi zawsze budzą wśród ludzi dużo emocji, ponieważ finansowane są z pieniędzy podatników. 

Ustawa traktująca o przepisach dotyczących przygotowania i realizacji inwestycji w zakresie dróg publicznych została wprowadzona w 2003 roku. W tak zwanej specustawie drogowej były wprowadzane późniejsze zmiany, w tym ostatnia w roku 2012.

Ustawa z dnia 10 kwietnia 2003 r. o szczególnych zasadach przygotowania i realizacji inwestycji w zakresie dróg publicznych (Dz. U. nr 80, poz. 721) składa się z 5 rozdziałów:

• Rozdział 1   – Przepisy ogólne
• Rozdział 2a – Postępowanie poprzedzające rozpoczęcie robót budowlanych
• Rozdział 3   – Nabywanie nieruchomości pod drogi
• Rozdział 4   – Realizacja inwestycji drogowej
• Rozdział 5   – Zmiany w przepisach obowiązujących

W artykule pierwszym rozdziału pierwszego opisano czemu ma służyć wyżej wymieniona ustawa. Cytując:

„Ustawa określa zasady i warunki przygotowania inwestycji w zakresie dróg publicznych […], a także organy właściwe w tych sprawach”. 

Organami właściwymi w sprawach przygotowania inwestycji w zakresie dróg publicznych są Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad w przypadku dróg zarządzanych przez ten organ lub odpowiedni zarządca drogi w przypadku dróg niezarządzanych przez GDDKiA.

Zanim dojdzie do realizacji inwestycji należy złożyć wniosek o pozwolenie. Wniosek składa zarządca drogi, natomiast pozwolenie wydaje wojewoda lub starosta. Wg art. 11a. wojewoda wydaje zezwolenie na budowę dróg krajowych i wojewódzkich, starosta – dróg powiatowych oraz gminnych. 

Kim jest zarządca dróg? Odpowiedź na to pytanie dostajemy w ustawie o drogach publicznych. Podział jest następujący:

• drogi krajowe – GDDKiA,
• drogi wojewódzkie – zarząd województwa,
• drogi powiatowe – zarząd powiatowy,
• drogi gminne – prezydent miasta, wójt, burmistrz

Należy zwrócić uwagę na zasady wydawania pozwolenia w przypadku, kiedy droga ma być realizowana na obszarze kilku województw. Nie jest konieczne składanie wniosku o pozwolenie na budowę do kilku wojewodów. Art. 11a. punkt 2:

„W przypadku inwestycji drogi realizowanej na obszarze dwóch lub więcej województw, decyzję o zezwoleniu realizację inwestycji drogowej wydaje wojewoda, na którego obszarze właściwości znajduje się największa część nieruchomości przeznaczonych na realizację inwestycji drogowej.”

Nieruchomości – w przypadku specustawy drogowej są to nieruchomości gruntowe. Cytując art. 46 z kodeksu cywilnego:

„nieruchomościami są części powierzchni ziemskiej stanowiące odrębny przedmiot własności (grunty)”.

Wojewoda lub starosta jest zobowiązany do wysłania zawiadomienia o wszczęciu postępowania w sprawie decyzji o zezwoleniu na realizację inwestycji drogowej do właścicieli lub użytkowników wieczystych nieruchomości objętych tym wnioskiem. W przypadku, gdy trasa drogi przebiega przez kilka województw wojewoda (z zastrzeżeniem art. 11a pkt 2) musi wysłać zawiadomienia do marszałków województw odpowiedzialnych za tereny, na których droga będzie miała swój przebieg. Wynika to z art. 11d punktu 5 ustawy.

Decyzję o zezwoleniu na realizację inwestycji drogowej wydaje się w terminie 90 dni od dnia złożenia wniosku.

Wniosek składany przez zarządcę dróg powinien zawierać (art. 11d. ustawy):

„1. Mapę w skali co najmniej 1:5 000 przedstawiającą proponowany przebieg drogi, z zaznaczeniem terenu niezbędnego dla obiektów budowlanych, oraz istniejące uzbrojenie terenu;

2. Analizę powiązania drogi z innymi drogami publicznymi;

3. Mapy zawierające projekty podziału nieruchomości, sporządzone zgodnie z odrębnymi przepisami;

4. Określenie zmian w dotychczasowej infrastrukturze zagospodarowania terenu;

5. Cztery egzemplarze projektu budowlanego wraz z zaświadczeniem[…], aktualnym na dzień opracowania projektu”;

Zaświadczenie dołączone do egzemplarzy projektu budowlanego jest dokumentem potwierdzającym wpis na listę członków właściwej izby samorządu zawodowego – popularniej zwane „uprawnieniami budowlanymi”.

„6. Pozwolenie, o którym mowa w art. 23 i 23a ustawy z dnia 21 marca 1991 r. o obszarach morskich Rzeczypospolitej Polskiej i administracji morskiej […], jeżeli jest ono wymagane;

7. W przypadku obiektów zakładów górniczych oraz obiektów usytuowanych na terenach zamkniętych i terenach, o których mowa w art. 82 ust. 3 pkt 1 ustawy z dnia 7 lipca 1994 r.– Prawo budowlane, postanowienie o uzgodnieniu z organem administracji architektoniczno-budowlanej, o którym mowa w art. 82 ust. 2 ustawy z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane, projektowanych rozwiązań w zakresie:

1. linii zabudowy oraz elewacji obiektów budowlanych projektowanych od strony dróg, ulic, placów i innych miejsc publicznych
2. przebiegu i charakterystyki technicznej dróg, linii komunikacyjnych oraz sieci i uzbrojenia terenu, wyprowadzonych poza granice terenu zamkniętego, portów morskich i przystani morskich, a także podłączeń tych obiektów do użytku publicznego.

7a. W przypadku transeuropejskiej sieci drogowej:

1. wynik audytu bezpieczeństwa ruchu drogowego, o którym mowa w art. 241 ust. 1 ustawy z dnia 21 marca 1985 r. o drogach publicznych,
2. uzasadnienia zarządcy drogi, o którym mowa w art. 241 ust. 4 ustawy z dnia 21 marca 1985 r. o drogach publicznych;

8. Opinie:

1. ministra właściwego do spraw zdrowia – w odniesieniu do inwestycji lokalizowanych w miejscowościach uzdrowiskowych […],
2. dyrektora właściwego urzędu morskiego – w odniesieniu do obszarów pasa technicznego, pasa ochronnego, morskich portów i przystani,
3. właściwego organu nadzoru górniczego – w odniesieniu do terenów górniczych,
4. dyrektora właściwego regionalnego zarządu gospodarki wodnej – w odniesieniu do inwestycji obejmujących wykonanie urządzeń wodnych oraz w odniesieniu do wykonania obiektów budowlanych  lub robót na obszarach bezpośredniego zagrożenia powodzią,
5. dyrektora właściwego regionalnej dyrekcji Lasów Państwowych – w odniesieniu do gruntów leśnych stanowiących własność Skarbu Państwa, będących w zarządzie Lasów Państwowych,
6. właściwego wojewódzkiego konserwatora zabytków […],
7. właściwego zarządcy infrastruktury kolejowej […],
8. innych organów wymaganych przepisami szczególnymi;”.

Opinie właściwych organów (pkt 8) wydawane są w terminie nie dłuższym niż 30 dni od złożenia wniosku przez zarządcę drogi. Niewydanie opinii jest równoważne braku zastrzeżeń do wniosku.

Pozwolenie wodno prawne wydaje marszałek województwa lub starosta. Termin wydania decyzji podobnie jak wyżej – do 30 dni od złożenia wniosku o jej wydanie.

Wojewoda lub starosta w decyzji o zezwoleniu na realizację inwestycji drogowej powinien zawrzeć:

„1) wymagania dotyczące powiązania drogi z innymi drogami publicznymi, z określeniem ich kategorii;

2) określenie linii rozgraniczających teren;

3) warunki wynikające z potrzeb ochrony środowiska, ochrony zabytków i dóbr kultury współczesnej oraz potrzeb obronności państwa;

4) wymagania dotyczące ochrony uzasadnionych interesów osób trzecich;

5) zatwierdzenie podziału nieruchomości, o którym mowa w art. 12 ust. 1;

6) oznaczenie nieruchomości lub ich części, według katastru nieruchomości, które stają się własnością Skarbu Państwa lub właściwej jednostki samorządu terytorialnego;

7) zatwierdzenie projektu budowlanego;

8) w razie potrzeby inne ustalenia dotyczące:

a) określenia szczególnych warunków zabezpieczenia terenu budowy i prowadzenia robót budowlanych,

b) określenia czasu użytkowania tymczasowych obiektów budowlanych,

c) określenia terminów rozbiórki istniejących obiektów budowlanych nie-przewidzianych do dalszego użytkowania oraz tymczasowych obiektów budowlanych,

d) określenia szczegółowych wymagań dotyczących nadzoru na budowie,

e) obowiązku dokonania przebudowy istniejącej sieci uzbrojenia terenu,

f) obowiązku przebudowy dróg innych kategorii,

g) określenia ograniczeń w korzystaniu z nieruchomości dla realizacji obowiązków, o których mowa w lit. e i f,

h) zezwolenia na wykonanie obowiązków, o których mowa w lit. e i f”.

Kolejnym krokiem przed rozpoczęciem realizacji inwestycji drogowej jest nabywanie nieruchomości pod drogi. Rozdział ten zostanie opisany w kolejnym artykule.

inż. Łukasz Dutka

Wzmacnianie podłoża gruntowego przy pomocy kolumn DSM

Fot. by WSDOT

Zmniejszenie kosztów nowo budowanych dróg czy też drogowych obiektów inżynierskich wymaga wykorzystania gruntów dostępnych na miejscu. Z drugiej strony przepisy wymagają odpowiedniej nośności podłoża. W przypadku słabych gruntów takich jak namuły czy torfy, pomocną i aktualnie bardzo popularną metodą jest mieszanie wgłębne, czyli  tak zwany DSM (ang. Deep Soil Mixing).

Dz. U. nr 43, poz. 430 określa warunki gruntowe dla drogowych budowli ziemnych:

„Drogowa budowla ziemna powinna być zaprojektowana tak, aby jej odkształcenia nie spowodowały utraty przydatności użytkowej konstrukcji nawierzchni drogi oraz innych urządzeń zlokalizowanych  w pobliżu. Dopuszczalne wartości osiadań eksploatacyjnych s_k korpusu i podłoża budowli ziemnej nie powinny przekraczać 10 cm”.

Gdy te wymagania nie są spełnione jedną z opcji jest wymiana lub wzmocnienie podłoża gruntowego w celu poprawienia właściwości.

Mieszanie wgłębne zostało spopularyzowane w Polsce przez firmę Keller pod koniec lat dziewięćdziesiątych XX w. Początkowo tę metodę wykorzystywano do wzmacniania podłoży pod nasypy drogowe oraz fundamenty obiektów kubaturowych. W roku 2002 wykorzystano metodę DSM pod fundamenty obiektów mostowych na budowanej autostradzie A2. Polska jako pierwszy kraj w Europie wykorzystała tę metodę w budownictwie mostowym.

Technologia ta polega na wytworzeniu w podłożu gruntowym siatki kolumn, przy czym wykorzystuje się miejscowy grunt, który należy wymieszać ze spoiwem (najczęściej stosowany jest cement). Kolumny formowane są przy pomocy specjalnego mieszadła. Możliwe jest mieszanie zarówno ręczne jak i wspomagane komputerowo. Na rynku znane są mieszadła pojedyncze oraz podwójne. Zaletą mieszadeł podwójnych oprócz wydajności mieszania, jest eliminacja zjawiska „obracanego korka”, spotykanego często w przypadku stosowania mieszadła pojedynczego lub w przypadku mieszania gruntów bardzo spoistych.

Mieszadło DSM, fot. by USACE HQ

Pojedyncze mieszadło DSM, fot by SDOT Photos

Typowa długość uformowanych kolumn wynosi od 10-12 m, jednak często spotykane są kolumny o długości nawet powyżej 20 m. Na wielkość średnicy kolumny wpływ mają technologia, w której kolumny są wykonywane oraz rodzaj gruntu słabonośnego. DSM można wykonać w technologii na mokro i na sucho. W technologii na sucho typowe średnice wynoszą od 0,6 do 1,0  m – najczęściej 0,6 i 0,8 m, w przypadku technologii na mokro najczęściej od 0,8 do 1,5 m.

Mieszanie na sucho uzależnione jest od występowania poziomu wody gruntowej. Wilgotność gruntu musi wynosić minimum 60%. Zestaw do mieszania obejmuje stację do składowania i podawania spoiwa oraz maszynę wiertniczą. Najczęściej używa się wapna niegaszonego lub cementu z wapnem w przypadku glin i iłów oraz mieszanek z udziałem żużli wielkopiecowych w przypadku gruntów organicznych. Stabilizacja daje poprawę wytrzymałości na ścinanie – uzyskuje się wyniki na poziomie od 100 do 150 kPa. Zaletami metody na sucho są:

- możliwość pracy w niższej temperaturze

-duża wydajność

-możliwość stabilizacji bardzo słabych gruntów.

Zestaw do mieszania na mokro należy uzupełnić o zbiornik na wodę oraz mieszalnik. Wg [2] wytrzymałość na ściskanie kolumn cementowo-wapiennych wykonanych w tej metodzie, osiąga  wyniki od 1 do 10 MPa. Największą wytrzymałością cechują się kolumny, w których zastosowano mieszankę cementu i granulowanego żużla wielkopiecowego.

Zalety i ograniczenia stosowania kolumn DSM zestawiono poniżej:

Kolumny DSM zastosowano do wzmocnienia podłoża gruntowego pod nasypy na drodze S7 od węzła Elbląg do miejscowości Kalsk. Słabe grunty (torfy, namuły) występujące na miejscu budowy wymagały poprawy właściwości. Na całej długości odcinka sformowano ponad 146 000 kolumn DSM o średnicy 60 cm, których łączna długość przekroczyła 679 000 m.b. Przed wykonaniem kolumn wykonano pilotażowe badania laboratoryjne oraz pilotażowe badania polowe. W trakcie prac kontrolowano jakość wykonania kolumn. W przypadku każdej kolumny monitorowano między innymi datę wykonania, zagłębienie kolumny poniżej poziomu roboczego, ilość zużytego spoiwa oraz prędkość obrotową mieszadła.

inż. Łukasz Dutka

Literatura:

• M. Topolnicki: „Wzmacnianie i uszczelnianie gruntu metodą wgłębnego mieszania na mokro (DSM)”
• B. Gajewska, B. Kłosiński: „Wzmacnianie słabego podłoża kolumnami w budownictwie drogowym”, NBI Lipiec-Sierpień 2012
• www.keller.com.pl
• A. Leśniewska: „Wzmocnienie podłoża pod nasypy drogi krajowej S7 na odcinku od węzła Elbląg do Kalska za pomocą kolumn DSM-d”, NBI Listopad-Grudzień 2011