Nawierzchnie standardowe i „perpetual pavement” czyli to, co najważniejsze dla nawierzchni drogowej dzieje się głęboko.

włącz . Opublikowano w Roads & Bridges

RNagorski
prof. dr hab. inż. Roman Nagórski

KBlazejowski
dr inż. Krzysztof Błażejowski

Od kilku miesięcy wydawany przez Instytut Badawczy Dróg i Mostów Kwartalnik „Roads and Bridges - Drogi i Mosty” publikuje w języku angielskim i polskim artykuły naukowe, które m.in. poszerzają wiedzę na temat aktualnej sytuacji oraz perspektyw rozwoju budownictwa komunikacyjnego.

W najnowszym numerze opublikowano artykuł zawierający wyniki pracy badawczej pt. „Analiza porównawcza odkształceń oraz trwałości nawierzchni asfaltowej typu „perpetual” i nawierzchni standardowej”. Autorami artykułu są: prof. dr hab. inż. Roman Nagórski, dr inż. Krzysztof Błażejowski oraz mgr inż. Katarzyna Marczuk.

Na temat celu przeprowadzonych i opisanych w pracy badań oraz wniosków, jakie z nich płyną rozmawiamy z prof. dr hab. inż. Romanem Nagórskim oraz dr inż. Krzysztofem Błażejowskim.

Co różni konstrukcję standardowej nawierzchni drogowej od konstrukcji nawierzchni typu „perpetual pavement”? Dlaczego praca badawcza została poświęcona właśnie temu  zagadnieniu?

prof. dr hab. inż. Roman Nagórski:

Przesłanką do podjęcia tego tematu badawczego i w efekcie powstania pracy, którą publikujemy w Kwartalniku „Roads and Bridges Drogi i Mosty” było ogólnie znane i aktualne zagadnienie trwałości nawierzchni drogowej. Chcieliśmy przyjrzeć się dokładniej koncepcji nawierzchni zwanej umownie „perpetual” czyli „długowiecznej”. W gruncie rzeczy chodzi o nawierzchnię o zwiększonej trwałości dzięki rozwiązaniu konstrukcyjnemu z dodatkową warstwą przeciwzmęczeniową, ponieważ w analizowanych przypadkach trwałość nawierzchni wyznaczana jest głównie przez odporność na spękania zmęczeniowe. To było celem naszych analiz. Jego realizację umożliwił program komputerowy VEROAD, który pozwala na analizę warstw nawierzchni w zakresie lepkosprężystym, zwłaszcza tych istotnych w rozpatrywanym zagadnieniu czyli warstw asfaltowych.

dr inż. Krzysztof Błażejowski:

W uproszczeniu temat można ująć następująco: standardowa konstrukcja nawierzchni, którą stosujemy w Polsce od dziesięcioleci to jest konstrukcja, w której warstwy górne czyli przede wszystkim warstwa ścieralna, charakteryzują się dużą zawartością lepiszcza asfaltowego i małą zawartością wolnych przestrzeni czyli są szczelne. Są takim nazwijmy to pokrowcem na całej nawierzchni, który zabezpiecza przed zewnętrznymi wpływami atmosferycznymi i daje pożądane właściwości jezdne – m.in. współczynnik tarcia. Im niżej położona jest kolejna warstwa, tym mniej zawiera asfaltu i tym więcej ma wolnych przestrzeni – jest bardziej „otwarta”. Jeżeli popatrzymy na konstrukcję nawierzchni, która pracuje jako układ warstwowy, po którym porusza się pojazd-obciążenie, to jest oczywiste, że ona ugina się. Jeżeli podlega zginaniu to znaczy, że następuje rozciąganie niżej położonych warstw związanych tym większe, im niżej położona jest taka warstwa. W tym kontekście na zniszczenie zmęczeniowe, o którym mówił Pan prof. Roman Nagórski, najbardziej narażona jest ta ostatnia, dolna warstwa asfaltowa. Wiemy też, że wytrzymałość zmęczeniowa mieszanek mineralno-asfaltowych zależy między innymi od zawartości asfaltu i zawartości wolnych przestrzeni, a zatem możemy powiedzieć, że w standardowej konstrukcji warstwa podbudowy asfaltowej, w której występują największe odkształcenia rozciągające, takie „pro zmęczeniowe”, to jest warstwa, która  zawiera akurat najmniej asfaltu i najwięcej wolnych przestrzeni czyli dokładnie odwrotnie, niż powinno być. Taka warstwa jest więc najmniej odporna na zmęczenie.

W koncepcji nawierzchni typu „perpetual” chodzi o to, aby ta ostatnia warstwa  asfaltowa na dole była elastyczna oraz zawierała najwięcej asfaltu i najmniej wolnych przestrzeni. Czyli dokładnie odwrotnie niż to jest w standardowej konstrukcji, a zarazem zgodnie ze specyfiką zachowania się konstrukcji. W sumie idea nawierzchni długowiecznych to takie podniesienie trwałości zmęczeniowej całej konstrukcji, w której to, co jest najbardziej rozciągane było najbardziej odporne zmęczeniowo.

PP-rys1a PP-rys1b
Rys. 1a. Schemat standardowej konstrukcji nawierzchni stosowany obecnie w Polsce. Rys. 1b. Nawierzchnia typu perpetual z warstwą przeciwzmęczeniową.

Artykuł w kwartalniku „ Roads and Bridges – Drogi i Mosty” jest pracą zbiorową. Na czym polegały badania i jaki był  podział zadań pomiędzy poszczególnymi uczestnikami prac naukowych – autorami tej publikacji naukowej?

prof. dr hab. inż. Roman Nagórski:

Z punktu widzenia celów i zastosowań, jeśli chodzi o koncepcję pracy od strony aplikacyjnej, konstrukcyjnej itd.  było to oczywiście „pole działań” Pana dr Krzysztofa Błażejowskiego. Ja z racji profesji zajmowałem się głównie modelowaniem mechanistycznym czyli tworzeniem odpowiednich modeli. To była główna moja praca.  Oczywiście zajmowałem się także mechanistyczną interpretacją wyników. Trzecia osoba w naszym zespole – Pani Katarzyna Marczuk, młoda osoba, wtedy jeszcze dyplomantka naszego Wydziału wykonywała obliczenia oraz szereg prac pomocniczych, jakie przy każdej pracy należy wykonać. Muszę zaznaczyć, że publikacja w „Roads and Bridges Drogi i Mosty” jest tylko fragmentem większej całości, jaką była praca statutowa poświęcona analizom różnego typu konstrukcji nawierzchni oraz ich modeli mechanistycznych i obliczeniowych. Wykonaliśmy znacznie szerszy zakres prac niż to znalazło odzwierciedlenie w publikacji. Wracając do udziału Pani Katarzyny Marczuk, to moją ideą i także ideą wielu moich koleżanek i kolegów   jest to, by studentów starszych lat włączać do pracy naukowej na pełnoprawnych zasadach: by uczestniczyli w podziale zadań w pracach naukowych i – na zakończenie byli współautorami publikacji, jakie powstają w wyniku prowadzonych badań.

Na czym polegały badania opisane w pracy?

dr inż. Krzysztof Błażejowski:

Prace polegały na wykorzystaniu modelu lepkosprężystego Bürgersa do obliczeń powstających naprężeń i odkształceń. Tu napotkaliśmy na pewien kłopot z podstawianiem właściwych wartości parametrów materiałowych do tego modelu. Wykorzystaliśmy dane  literaturowe, jakie można było zdobyć. Chociaż  trzeba powiedzieć, że w literaturze, nawet na świecie niewiele jest publikacji, które ujawniają wprost, jakie parametry tego modelu są przyjmowane do obliczeń. Nie jest to w związku z tym łatwo dostępna wiedza. Wykorzystaliśmy te dane, które mieliśmy do zdobycia w Polsce. Zostały wykonane obliczenia - bardzo dużo obliczeń, w wielu wariantach. Trzeba powiedzieć wyraźnie, że oprócz parametrów materiałowych, takich powiedzmy zbliżonych czy typowych dla polskich mieszanek mineralno-asfaltowych, betonu asfaltowego i SMA analizowano także wpływ innych parametrów rozpatrywanego zagadnienia – m.in. prędkość poruszania się obciążenia, tj. prędkość pojazdów. Okazało się to jednym z ważniejszych elementów obliczeniowych i rozszerzało zakres wyników oraz dawało większe pole do ich interpretacji. Warto przy tej okazji powiedzieć, że dobrze by było, abyśmy potrafili w laboratoriach w Polsce na szerszą skalę interpretować czy określać parametry lepkosprężyste, np. do modelu Bürgersa. To by dawało aspekt bardzo praktyczny. Ponieważ, zgodnie z zasadą, że wyniki są tak dobre, jak prawdziwe są dane i adekwatne modele, podstawiając prawdziwe dane dla prawdziwych, konkretnych mieszanek o konkretnych właściwościach, możemy już bardzo precyzyjnie na ile oczywiście precyzyjny jest model obliczeniowy coś obliczyć i analizować wyniki. Dopóki poruszamy się w pewnych parametrach czy danych w jakimś sensie teoretycznych, to cała analiza też jest w jakimś sensie teoretyczna. Na wyniki też trzeba patrzeć z ostrożnym dystansem.

Jakie są inne – poza tymi już wymienionymi przez Panów – spostrzeżenia związane z prowadzoną pracą badawczą, istotne dla poprawy jakości i trwałości dróg?

prof. dr hab. inż. Roman Nagórski:

Mimo dosyć szerokiego zakresu obliczeń to jednak, jak już wspomniał Pan dr Krzysztof Błażejowski, nie byliśmy w stanie policzyć tego wszystkiego, co byśmy chcieli. Przede wszystkim ­ właśnie z uwagi na brak danych, brak koniecznego, odpowiedniego aparatu badawczego. Dane literaturowe na świecie można  znaleźć, ale chodzi o to, by były to dane do naszych mieszanek, stosowanych w naszym kraju. Te wyniki, które uzyskaliśmy w sensie mechanistycznym są obiecujące i ciekawe. Po pierwsze w każdym z wariantów konstrukcji zwanej umownie „perpetual” czyli z dodatkową warstwą przeciwzmęczeniową, jak i przy każdym modelu bo też kilka wariantów modeli mechanistycznych stosowaliśmy uzyskaliśmy wyraźnie zwiększoną trwałość zmęczeniową. To jest jeden efekt. Drugi efekt jest taki, że możliwość uwzględnienia prędkości jako parametru modelu pokazała, że ta prędkość ma istotny wpływ na trwałość. Tam, gdzie jest powolny ruch ciężki, trwałość wyraźnie się zmniejsza. Nie jest to powszechnie uwzględniane w Polsce w praktyce projektowej. To jest również taki wniosek bardziej praktyczny.

dr inż. Krzysztof Błażejowski:

Mała prędkość ciężkich pojazdów kojarzy nam się przede wszystkim z koleinami czyli deformacjami lepkoplastycznymi. I rzeczywiście tak jest. Powstają, zwłaszcza w wyższej temperaturze powietrza. Ale oprócz kolein lepkoplastycznych, mamy też odpowiedź całej konstrukcji, a nie tylko jakiejś części warstw asfaltowych, bo koleinowanie może zachodzić np. tylko w jednej warstwie. Uogólniając, odpowiedzią całej konstrukcji są ugięcia i wynikające z nich zmęczenie materiałów związanych. Chyba nie wszyscy drogowcy pamiętają, że mała prędkość pojazdów to nie tylko problem kolein, ale także zmęczenia. To, co obserwujemy jako kierowcy tak chyba będzie najłatwiej wyjaśniać czyli tam, gdzie  jest dużo ciężkich pojazdów i jadą one np. wolno, bo jest ruch skanalizowany i średnia prędkość pojazdów jest tam niska, albo jak są dojazdy do skrzyżowań, gdzie pojazdy już w zasadzie tylko toczą się lub wręcz zatrzymują, to tam bardzo często oprócz kolein występują też spękania. Dla takich miejsc wyniki obliczeń wyraźnie wskazują, że mała prędkość obciążenia zdecydowanie zwiększa odkształcenia na samym dole, na spodzie warstw asfaltowych, co z kolei przekłada się na szybsze zniszczenie zmęczeniowe. Wynikałoby z tego, że jeżeli przewidujemy, że taka będzie sytuacja na drodze a np. przy skrzyżowaniach z sygnalizacją  świetlną możemy w stu procentach założyć, że będzie mała prędkość pojazdów ciężkich to należałoby po prostu pogrubiać konstrukcję nawierzchni albo stosować specjalne warstwy przeciwzmęczeniowe. I to jest coś, czego do tej pory nie robiliśmy w Polsce i nie ma nawet takich założeń czy wytycznych do projektowania, które by uwzględniały taki aspekt zniszczenia nawierzchni. Wracając do wyników, szczerze powiem, że w jakimś sensie byliśmy zaskoczeni różnicą w trwałości obliczeniowej między konstrukcją standardową a konstrukcją zawierającą warstwę przeciwzmęczeniową. Nawet, jeśli w porównywanych przypadkach sumaryczna grubość warstw asfaltowych była taka sama, to sam fakt, że zmieniliśmy ten najniższy fragment warstwy podbudowy asfaltowej na materiał odporny na zmęczenie,  już dawał widoczny zasadniczy, pozytywny wzrost trwałości.

Myślę, że wykonamy jeszcze dodatkowe prace obliczeniowe, które pozwolą pogłębić to zagadnienie. Staramy się jako zespół albo inaczej mówiąc Politechnika Warszawska, Instytut Dróg i Mostów stara się o wykonanie takiej pracy określenia parametrów materiałowych na polskich mieszankach po to, żeby uzyskać w stu procentach prawdziwe i realne parametry do obliczeń, wiarygodne dane wejściowe. I myślę, że powtórzymy wtedy ten cykl obliczeń jeszcze raz i jeżeli wyniki się potwierdzą, zapewne wystąpimy tu trudno mi wypowiadać się za Politechnikę Warszawską, ale Pan profesor Roman Nagórski będzie tym kierował wystąpimy do branży drogowej z postulatem zmiany podejścia do projektowania na odcinkach specjalnych. Bo to nie dotyczy wszystkiego tylko odcinków z zaprogramowanym powolnym ruchem. 

prof. dr hab. inż. Roman Nagórski:

Owszem, dobrze by było powtórzyć obliczenia powiązane z szerszym programem badawczym, także z pilotażowym odcinkiem drogi. Rzetelność badawcza nakazuje powiedzieć, że od obiecujących wyników do wdrożenia na szeroką skalę droga daleka i trzeba wykonać rozmaite badania, i teoretyczne i doświadczalne, a potem jeszcze sprawdzić wnioski na odcinkach doświadczalnych. Bardzo potrzebne są takie programy badawcze i środki finansowe na ich realizacje. Jest jeszcze jedna kwestia trochę warsztatowa, ale bardzo istotna. To przesłanie dla projektantów, że wpływ prędkości mógł być ujawniony dzięki zastosowaniu w analizie modeli lepkosprężystych, w naszym przypadku modelu Bürgersa. Dzięki temu, że VEROAD tego parametru nie zgubił, wpływ prędkości mógł być jawnie uwzględniony i w efekcie badanie dało takie wnioski o wpływie na trwałość nawierzchni powolnego ruchu ciężkiego, jakie tu Pan dr Krzysztof Błażejowski  przedstawił.

Na koniec warto podkreślić dwie rzeczy: po pierwsze należy powiedzieć, że wyniki badań są na tyle obiecujące, że jesteśmy przekonani, że rzeczywiście te rozwiązania, propozycje konstrukcyjne i takie modelowanie mogą istotnie poprawić trwałość nawierzchni w Polsce. Z drugiej jednak strony rzetelność wymaga byśmy powiedzieli, że nie znamy w tej chwili odpowiedzi na pytanie, o ile lat czy miesięcy naprawdę wydłuży się ta trwałość. Potrzebny jest naprawdę szeroki, pogłębiony zakres badań, by można było dać odpowiedź na takie pytanie.

dr inż. Krzysztof Błażejowski:

Oprócz tych obliczeń istotne jest pamiętanie o specyfice pracy konstrukcji nawierzchni drogowej, gdzie rozciąganie jest największe na samym dole warstw asfaltowych. Tam są niestety najbardziej suche mówiąc kolokwialnie mieszanki mineralno-asfaltowe. Jest oczywiste, że one najłatwiej będą pękać podczas rozciągania. Tak przynajmniej część inżynierów rozumie i widzi ten problem. A więc, pomijając nawierzchnie typu „perpetual”, dla większości drogowców powinno być jasne, dlaczego nie należy na siłę szukać oszczędności i obniżać zawartości lepiszcza w standardowych podbudowach asfaltowych.

prof. dr hab. inż. Roman Nagórski:

Trzeba też wyraźnie podkreślić, że konstrukcja standardowa jest oczywiście uzasadniona, bo zapewnia sztywność nawierzchni. Natomiast brakuje jeszcze tego drugiego aspektu – zapewnienia wysokiej trwałości. Właśnie takie rozwiązanie nie czysto materiałowe, tylko materiałowo-konstrukcyjne pozwala, zachowując sztywność, zwiększyć również trwałość zmęczeniową.

dr inż. Krzysztof Błażejowski:

Dodatkowym wnioskiem jest to, że to co jest najważniejsze w nawierzchni dzieje się najgłębiej, Głęboko, a nie na powierzchni. Na powierzchni powinno być równo, szorstko, bezpiecznie i szczelnie. Natomiast to, co dzieje się w sensie konstrukcyjnym, takim wytrzymałościowym, to dzieje się głęboko. Jak w każdym budynku. Najpiękniejszy budynek, o pięknej elewacji, jeśli ma słaby fundament, nie będzie stał długo. Zgodnie z ideą „perpetual pavement” budujemy bardzo solidnie to, co jest głęboko, po to, by tam nie wracać z kosztownymi remontami. Wszyscy wiemy, jakie problemy generują słabe podbudowy, więc im głębiej, tym budujemy solidniej – na długie lata. A to, co jest na samym wierzchu możemy wymieniać, jak się wyeksploatuje. Tak trochę, jak malowanie elewacji budynku.

Zawsze mówię wszystkim drogowcom zwłaszcza tym samorządowym żeby nie oszczędzali na podbudowie, na geotechnice, żeby porządnie przygotowali podłoże gruntowe, odwodnienie, a podbudowę robili solidną, w pewnym sensie nawet na wyrost, bo ruch będzie się zwiększał a solidna podbudowa to także gwarancja trwałości warstwy ścieralnej.

prof. dr hab. inż. Roman Nagórski:

Dodam, że nawet jeśli przyjdzie w przyszłości do modernizacji, to się odpowiednio dołoży słynną „nakładkę”, ale solidny „fundament” już będzie i na to pozwoli.

Dziękuję bardzo za rozmowę.

Rozmawiała: Anna Rogalińska.

Za udostępnienie rysunków schematów dziękujemy prof. dr hab. inż. Romanowi Nagórskiemu