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.

Osuwiska – błąd człowieka w sztuce budowlanej.

Fot by Raja12

Osuwisko jest gwałtownym i niekontrolowanym zsunięciem się mas ziemnych lub (i) skalnych. Właśnie gwałtowność tego zjawiska oraz trudność identyfikacji problemu skutkuje katastrofami budowlanymi. Najlepszym sposobem ochrony budowli komunikacyjnych przed tego typu zdarzeniami jest… zmiana trasy drogi. Jeżeli nie jest to możliwe, budowę drogi należy rozpocząć od wykonania rozpoznania geologicznego terenu. 

Należy zwrócić uwagę, że definicja osuwiska nie dotyczy tylko i wyłączenie istniejących terenów osuwiskowych. Złe wykonanie nasypów drogowych poprzez złe odwodnienie drogi, użycie nieodpowiednich gruntów, zbyt strome pochylenie skarp czy niewystarczające zagęszczenie skarp może spowodować osunięcie się mas ziemnym wraz z konstrukcją drogi [1]. Można więc wysnuć wniosek, że główną przyczyną powstania osuwiska jest błąd człowieka w sztuce budowlanej na etapie projektowania lub wykonawstwa.

Powstanie osuwiska wiąże się z przekroczeniem sił ścinających wytrzymałości gruntu na ścinanie. Można wyróżnić następujące rodzaje zsunięcia się mas ziemnych [2]:

• zsuw – obsunięcie się gruntu wzdłuż powierzchni poślizgu o kształcie zbliżonym do płaszczyzny,
• spływ – przemieszczenie nawodnionej masy ziemnej, przy czym powierzchnia poślizgu nie jest wyraźnie wytworzona,
• osuwisko – obsunięcie się mas ziemnych wzdłuż krzywoliniowej powierzchni poślizgu.

fot 2. Zsuw by WideAngleWandering

Aby zminimalizować możliwość wystąpienia wyżej wymieniony zjawisk na nowobudowanych obiektach komunikacyjnych należy spełnić warunki [2]:

• rozpoznanie budowy geologicznej, warunków gruntowo-wodnych
• wyznaczenie fizycznych i mechanicznych cech gruntów
• stosowanie odpowiednich zabezpieczeń skarp

Istotne jest rozpoznanie przeszłości geologicznej terenu. Należy sprawdzić genezę powstania i przebieg powierzchni osłabień. Te wady mogły powstać na skutek ruchu tektonicznego lub osuwiskowego. Badając grunt należy zwrócić szczególną uwagę na parametry wytrzymałościowe, zwłaszcza na ścinanie wzdłuż powierzchni osłabień [2].

Charakterystyczny dla terenu osuwiskowego jest tzw. „pijany las” (fot. 3). Drzewa rosnące pochyło mogą świadczyć o przemieszczeniach mas ziemnych. Na terenach zagrożonych omawianym zjawiskiem należy obserwować roślinność. 

Fot 3. Pijany las by gautamnguitar

Głównym powodem występowania osuwisk jest niesprzyjające działanie wody. Woda zwiększa ciężar gruntu, czego przyczyną jest zwiększenie się sił zsuwających. Siły utrzymujące stateczność są mniejsze, przez co zmniejsza się wytrzymałość gruntu na ścinanie, czego efektem jest ruch mas ziemnych.

Wg Z. Wiłuna [2] zabezpieczenie terenu przed osuwiskiem można między innymi wykonać poprzez:

• odwodnienie
• drenaż przyporowy z kamienia łamanego
• filtry wiertnicze
• zmniejszenie nachylenia skarp i nasypów
• wymianę gruntu osuwiskowego u podnóża skarpy
• podparcie murem oporowym
• wzmocnienie skarp przy pomocy rusztów, pali

Jasno wynika, że poprawne odprowadzenie wody może mieć pozytywny wpływ na stateczność skarp. Również nachylenie skarp ma duży wpływ na stateczność. Po wystąpieniu osuwisk w 2010 roku sprawdzano przyczyny ich powstania. Zauważono, że blisko połowa stokow, była nachylona pod kątem większym niż 30 stopni, natomiast około 25% nachylenie przekroczyło 35 stopni. Maksymalne nachylenia sięgały nawet około 50 stopni [3].

Wykonanie jednak samego drenażu lub jedynie zmniejszenie nachylenia skarp nie jest odpowiednim zabezpieczeniem terenu przed osunięciem się ziemi. W przypadku, kiedy badania wykażą zagrożenie terenu osuwiskiem należy stosować kombinację zabezpieczeń, by powstanie niebezpieczeństwa zniwelować do minimum. Ponad połowa terenów, na których uaktywniły się osuwiska po gwałtownych deszczach w Małopolsce w 2010 roku nie były w ogóle zabezpieczone. Natomiast połowa zabezpieczeń, które wykonano polegała na wykonaniu jedynie drenażu terenu [3].

Na koniec chciałbym nadmienić, że artykuł zawiera tylko ogólne informacje na temat osuwisk. Z przeczytanej przeze mnie literatury, czy też obserwacji wydarzeń w ostatnich latach jasno wynika, że do każdego przypadku należy podejść indywidualnie.

inż. Łukasz Dutka

Literatura:

1. K. Trojnar: „Jak eliminować osuwiska drogowe? - cz.1", NBI Wrzesień-Październik 2009
2.  Z. Wiłun: „Zarys Geotechniki”, WKŁ
3. R. Kaczmarczyk, S. Tchórzewska, H. Woźniak: „Charakterystyka wybranych osuwisk z terenu południowej Polski uaktywnionych po okresie intensywnych opadów w 2010 roku".