Nawierzchnie drogowe - dłuższa użyteczność dzięki uszczelnieniu

włącz . Opublikowano w Europejski Uniwersytet Budownictwa Komunikacyjnego

Artykuł przedstawia przykłady nieszczelnych nawierzchni asfaltowych oraz skutków, jakie one powodują. Wskazuje także na przyczyny powstawania błędów oraz niektóre metody naprawcze.

  fot1  
  Fot. 1: Ogólny widok nawierzchni nieszczelnej  
  fot2  
  Fot. 2: Zbliżenie nawierzchni nieszczelnej  

W okresie zakładanej użyteczności technicznej, nawierzchnie drogowe powinny być odporne na obciążenie ruchem oraz oddziaływania czynników atmosferycznych. Jak wiadomo, woda jest największym wrogiem budowli inżynierskich. Warstwa ścieralna nawierzchni drogowej winna być „z definicji” szczelna (nie dotyczy to oczywiście tzw. „nawierzchni porowatych”, które z założenia muszą zawierać wolne przestrzenie nawet do 30 proc. objętości), gdyż tylko szczelność eliminuje możliwość wnikania wody w nawierzchnię i jej stopniowe, aczkolwiek skuteczne, niszczenie aż do całkowitego uniemożliwienia spełnienia celu, jakiemu miała służyć.

Nawierzchnie asfaltowe można uznawać za szczelne, gdy zawartość wolnych przestrzeni w zagęszczonej masie mineralno-asfaltowej wynosi poniżej 3 proc. jej objętości. W takim przypadku nie dochodzi do penetracji wody w głąb mieszanki i niekorzystnego zjawiska odspajania asfaltu od kruszywa. Tego rodzaju nawierzchnie mają większe szanse być dłużej użyteczne niż nawierzchnie o zawartości wolnych przestrzeni powyżej 3, 4 procent i więcej w stosunku do swojej objętości. Teoretycznie wymóg szczelności nawierzchni jest zrozumiały i zasadny, jednakże w praktyce zrealizowanie go jest trudne i to zarówno w skali całej powierzchni warstwy ścieralnej, jak i jej szczególnych miejsc, które już na etapie budowy wymagają specjalnych zabiegów uszczelniających.

 

Przykłady nieszczelnych nawierzchni asfaltowych

W praktyce spotykane są dwa rodzaje nieszczelności nawierzchni asfaltowych:

  • nieszczelność na obszarze całej powierzchni,
  • nieszczelność w miejscach szczególnych.

Charakterystyczne skutki nieszczelności na całej powierzchni obrazują zdjęcia od 1 do 6.

fot3 fot4 fot5a fot5b
Fot. 3: Zbliżenie uszkodzeń nieszczelnej nawierzchni (rysy "włoskowate", szerokość poniżej 2 mm) Fot. 4: Zbliżenie uszkodzeń nieszczelnej nawierzchni (rysy lekko i wyraźnie widoczne, szerokość od 2 mm do 25 mm)

Fot. 5: Zbliżenie uszkodzeń nieszczelnej nawierzchni, przykład 1 i 2
(ubytki powierzchniowe wzdłuż pęknięcia, szerokość powyżej 25 mm)

 
fot6a fot6b
Fot. 6: Dwa przykłady uszkodzeń nieszczelnej nawierzchni w zbliżeniu (chropowata, porowata powierzchnia, ubytki kruszywa)

 

Skutki nieszczelności w miejscach szczególnych

Szczególne miejsca nawierzchni drogowych, które zostaną omówione, podzielono na dwa zasadnicze rodzaje różniące się sposobem uszczelniania, względnie naprawy nieszczelności, mianowicie:

Szwy technologiczne - są to połączenia (powierzchnie bocznego kontaktu) pomiędzy poszczególnymi pasmami wykonywanej nawierzchni. Szwy technologiczne mają miejsce wtedy, kiedy łączone są ze sobą pasma nawierzchni wykonane z tego samego rodzaju mieszanki mineralno-asfaltowej.

Złącza technologiczne - są to połączenia (powierzchnie bocznego kontaktu) pomiędzy:

  • nawierzchniami wykonanymi z mieszanek mineralno-asfaltowych o różnych właściwościach (np. beton asfaltowy i asfalt lany lub SMA)
  • nawierzchnią asfaltową i innym rodzajem nawierzchni, względnie elementem konstrukcji (np. z nawierzchnią betonową, krawężnikiem, kratką ściekową, studzienką rewizyjną, szyną tramwajową itp.)

Skutki, jakie wynikają z nieszczelności szwów i złączy technologicznych, obrazują zdjęcia od 7 do 15.

fot7 fot8 fot9
Fot. 7: Ogólny widok nieszczelnego szwa technologicznego Fot. 8: Zbliżenie nieszczelnego szwa technologicznego Fot. 9: Nieszczelne złącze technologiczne pomiędzy dwoma rodzajami nawierzchni asfaltowej
fot10 fot11 fot12
Fot. 10: Nieszczelne złącze technologiczne pomiędzy nawierzchnią betonową i nawierzchnią asfaltową Fot. 11: Widok nieszczelnego złącza technologicznego pomiędzy nawierzchnią asfaltową i krawężnikiem Fot. 12: Widok nieszczelnego złącza technologicznego pomiędzy nawierzchnią asfaltową i kratką ściekową
     
fot13 fot14  
Fot. 13: Nie szczelne złącze technologiczne pomiędzy nawierzchnią asfaltową i studzienką rewizyjną Fot. 14: Zbliżenie nieszczelnego złącza technologicznego pomiędzy nawierzchnią asfaltową i studzienką rewizyjną  
fot15a fot15b  
Fot. 15: Dwa przykłady nieszczelnego złącza technologicznego między nawierzchnią asfaltową i szyną tramwajową  
fot16 fot17  
Fot. 16: Uszczelniona nawierzchnia asfaltowa dzięki powierzchniowemu utrwaleniu po 12 latach eksploatacji Fot. 17: Zbliżenie powierzchniowego utrwalenia  
fot18 fot19a  
fot19b  
Fot. 18: Odcinek nawierzchni, na którym nie wykonano powierzchniowego utrwalenia Fot. 19: Przykłady zbliżenia nawierzchni, na której nie wykonano powierzchniowego utrwalenia  

W przypadku analizy skutków nieszczelności nawierzchni nie można ograniczyć się tylko do ich postaci widocznej, gdyż z reguły tego, co jest najgroźniejsze nie widać i dopiero bardziej szczegółowe badania, np. nośności konstrukcji nawierzchni, połączenia międzywarstwowego czy stopnia odmycia asfaltu od kruszywa dają wyobrażenie o całościowym obrazie zniszczeń nawierzchni będącym skutkiem pozornie nieistotnej nieszczelności.

Forma artykułu nie pozwala na bardziej szczegółowe omówienie tej kwestii, jednak wypada uogólnić, że skutkiem długotrwałych nieszczelności nawierzchni jest w każdym przypadku obniżenie okresu użyteczności technicznej i ekonomicznej nawierzchni oraz konieczność stosunkowo trudnych i drogich remontów cząstkowych, względnie wymiany nawierzchni.

 

Przyczyny występowania nieszczelnych nawierzchni

Przyczyn występowania nieszczelnych nawierzchni jest wiele. Z dotychczasowych doświadczeń firmy OAT wynika, że najważniejsze z nich to:

  • brak nadania odpowiedniej wagi problemowi nieszczelności nawierzchni,
  • brak usystematyzowanej wiedzy i publikacji z zakresu nieszczelności nawierzchni,
  • brak funkcjonalnych uregulowań technicznych dotyczących wykonywania złączy technologicznych.

 

Metody uszczelniania nawierzchni asfaltowych

Metody uszczelniania nawierzchni można podzielić na dwie grupy, stosownie do rodzajów występujących nieszczelności: nieszczelności całej powierzchni oraz nieszczelności w miejscach szczególnych. Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę poszczególnych metod.

 

Metody uszczelniania całej powierzchni

Powierzchniowe utrwalenie – jest jedną z najbardziej skutecznych metod uszczelniania nawierzchni. O jego skuteczności świadczy poniżej przedstawiony przykład powierzchniowego utrwalenia, wykonanego pod kierownictwem autora (wówczas pracownika IBDiM) w roku 1991, w formie sekcji badawczych, na odcinku drogi krajowej Nieporęt-Rembertów. Wykonane sekcje wykazywały doskonały stan przez kilkanaście lat. Poniżej zamieszczone zdjęcia obrazują stan powierzchniowego utrwalenia po 12 latach obciążenia ruchem szybkim i bardzo ciężkim.

Ten rodzaj uszczelniania nawierzchni nie ma niestety w Polsce dobrej renomy, ponieważ istnieje wiele czynników, które powodują skuteczne hamowanie rozwoju powierzchniowych utrwaleń – zwłaszcza na drogach o ruchu ciężkim i szybkim. Słyszy się wręcz wypowiedzi, że „powierzchniowe utrwalenia nie sprawdzają się w warunkach polskich”. Nie ma nic bardziej błędnego. Jednak ten sposób rozumowania jest faktem i często skutecznie ogranicza zakres zastosowań tej niezwykle efektywnej i bardzo skutecznej metody uszczelniania nawierzchni.

Cienkie warstwy na zimno – cienkie warstwy na zimno typu „slurry seal” są zalecane w Ogólnych Specyfikacjach Technicznych (OST) D – 05.03.19 do uszczelniania i/lub poprawy szorstkości nawierzchni dróg obciążonych ruchem KR1-KR4. Wykonywanie cienkiej warstwy uszczelniającej na zimno przedstawia fot. 20.

 

Impregnacje nawierzchni – impregnacje nawierzchni asfaltowych są zabiegiem, który uszczelnia nie tylko wierzchnią warstwę, lecz również w znacznej części strukturę wewnętrzną nawierzchni – impregnat wnika w pory warstwy ścieralnej, wypełnia je i dzięki temu uniemożliwia wnikanie wody i odmywanie asfaltu od kruszywa. Impregnacje nie różnią się co do zasady wykonania, natomiast ich skutek może być bardzo różny w zależności od użytego materiału impregnującego oraz sposobu wykonania impregnacji.

Metod uszczelniania nawierzchni na ich całej powierzchni jest znacznie więcej niż wymieniono w tekście. Mieszczą się jednak one w zakresie dwóch ww. obszarów, tj. cienkich warstw ochronnych oraz impregnacji.

fot20
Fot. 20: Przykładowy sposób wykonywania cienkiej warstwy uszczelniającej i poprawiającej szczepność

 

Metody uszczelniania w miejscach szczególnych

Dokonując syntezy można zauważyć, że szwy technologiczne mogą być skutecznie uszczelniane metodą opisaną w Ogólnych Specyfikacjach Technicznych D – 05.03.15 pt.: „Naprawa (przez uszczelnienie) podłużnych i poprzecznych spękań nawierzchni bitumicznych”, natomiast złącza technologiczne wymagają w każdym przypadku szczegółowego rozpatrzenia i indywidualnego rozwiązania. Pomocne mogą być przy tym przedstawione poniżej schematy złączy, które zostały zaczerpnięte z praktyki niemieckiej (źródło: ZTV Fug-StB 01).

rys1rys2

rys3rys4

rys5

Dłuższa użyteczność nawierzchni dzięki uszczelnieniu

W języku potocznym spotykamy się z określeniami „żywotność” lub „trwałość” nawierzchni drogowych. Praktycznie oznaczają one to samo, czyli przedział czasowy od momentu wykonania do momentu odnowy nawierzchni. Z punktu widzenia właściciela drogi ważniejszą cechą jest użyteczność techniczna i użyteczność ekonomiczna nawierzchni drogowej. Pod pojęciem użyteczności technicznej rozumie się przedział czasowy od momentu wykonania nawierzchni drogowej do momentu, kiedy nie powinna być eksploatowana ze względów technicznych. Pod pojęciem użyteczności ekonomicznej – przedział czasowy od momentu wykonania do momentu, kiedy nie powinna być eksploatowana ze względów ekonomicznych.

Z zasady Vilfreda Pareto (80/20) wynika, że relacje między przyczynami i skutkami nie są równoważne. Nierównowaga ta najczęściej oscyluje wokół stosunku 80/20. W przypadku budowy i utrzymania nawierzchni drogowych można ogólnie wnioskować w oparciu o zasadę Pareto, że po kilku latach eksploatacji nawierzchni wystąpią problemy na około 20 proc. jej powierzchni. Duża część tych problemów będzie wynikać z braku szczelności szwów i złączy technologicznych, mikrospękań oraz widocznych spękań liniowych i siatkowych. Jeśli odpowiednio wcześnie właściciel drogi zleci wykonanie koniecznych uszczelnień, najprawdopodobniej obniży koszty utrzymania i napraw nawierzchni o 80 proc. oraz przedłuży jej użyteczność techniczną i ekonomiczną o 80 lub więcej procent. Jednym z dowodów słuszności takiej tezy może być przedstawiony powyżej przykład powierzchniowego utrwalenia. Nie jest to oczywiście jedyny dowód – można ich znaleźć bardzo wiele, zwłaszcza w zagranicznej literaturze z zakresu użyteczności metod utrzymywania nawierzchni asfaltowych.

* * *

Na podstawie artykułu można wyciągnąć szereg wniosków, ważnych zarówno z punktu widzenia właściciela drogi, jak i jej użytkowników. Między innymi można stwierdzić, że:

  • Jeśli celem jest dobre gospodarowanie środkami na utrzymanie nawierzchni drogowych, to warunkiem koniecznym jest zwrócenie uwagi na powstawanie różnego rodzaju nieszczelności nawierzchni, poczynając od mikrospękań, a na nieszczelnych szwach, złączach i widocznych spękaniach liniowych i siatkowych kończąc.
  • W przypadku zauważenia pierwszych objawów wskazujących na zagrożenia utraty szczelności konieczne jest niezwłoczne podjęcie działań mających na celu skuteczne zatrzymanie tego procesu oraz wykonanie warstw ochronnych, które przedłużą użyteczność techniczną poprawiając właściwości eksploatacyjne nawierzchni, takie jak: szorstkość, jednorodność, kolorystyka, niższy poziom hałasu na styku opona-nawierzchnia.
  • Planowanie i wykonywanie zabiegów uszczelniających nawierzchnie komunikacyjne wymaga specjalistycznej wiedzy oraz dużego doświadczenia, dlatego do tych czynności konieczne jest angażowanie wyłącznie specjalistów, zaś do ich realizacji – wyłącznie przedsiębiorstwa specjalistyczne.
  • W przypadku nieszczelności nawierzchni najgroźniejsze jest niedostrzeganie problemu ze względu na jego pozornie małą wagę. Prawdą jest, że problem jest „małej wagi” tylko na początku jego wystąpienia – wraz z upływem czasu „waga finansowa” problemu rośnie w postępie geometrycznym.

 

 

dr inż. WIESŁAW DĄBROWSKI
OAT Sp. z o.o.

Autor jest pracownikiem OAT Sp. z o.o., firmy z niemieckim know-how, która od ponad 16 lat świadczy usługi w Polsce, wykonując uszczelnienia oraz prace utrzymaniowe i naprawcze nawierzchni betonowych i asfaltowych.

 

 


Literatura:

  • Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych, „Ogólne Specyfikacje Techniczne. D – 05.03.15. Naprawa (przez uszczelnienie) podłużnych i poprzecznych spękań nawierzchni bitumicznych”, Warszawa 2001
  • Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych, „Ogólne Specyfikacje Techniczne. D – 05.03.16. Naprawa (przez uszczelnienie) podłużnych i poprzecznych spękań nawierzchni betonowych”, Warszawa 2001
  • Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych, „Ogólne Specyfikacje Techniczne. D – 05.03.18. Remont Cząstkowy Nawierzchni Betonowych”, Warszawa 2001
  • Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych, „Ogólne Specyfikacje Techniczne. D – 05.03.19. Cienkie warstwy na zimno (typu „slurry seal”)”, Warszawa 2001
  • Richard Koch, „Zasada 20/80”, Wydawnictwo Medium, Warszawa 1998
  • Alfred Schmuck „Strassenerhaltung mit System – Grundlagen des Managements”, Kirschbaum Verlag, Bonn 1987
  • FGSV, „Hinweise fűr das Schliessen und Sanierung von Rissen sowie schadhaften Nähten und Aschlűssen in Verkehrsflächen aus Asphalt”, Köln 2003