Artykuł z czasopisma "Polskie Drogi" Czerwiec 2007

   Doświadczenia z dróg krajowych Małopolski

 Stosowanie głębokiego recyklingu z dodatkiem EN-1.

Zastosowano po raz pierwszy w 2001 r. technologia naprawy nawierzchni przez głęboki recykling podbudowy z dodatkiem środka EN-1 na jednej z dróg krajowych Małopolski, w krótkim czasie zlikwidowała degradacje nawierzchni pochodzące od głębszych warstw. Pozwoliła jednocześnie zdobyć doświadczenia, które można było wykorzystać przy kolejnych zadaniach.

Warunkiem powodzenia tej technologii jest odpowiedni sprzęt umożliwiający ścisłe kontrolowanie ilo-ści dodawanego środka EN-1, oraz nieprzekraczanie niewielkiego dodatku cementu.

W ostatnich 3 latach rośnie w Małopolsce tempo robót drogowych - budżet na inwestycje drogowe w krakowskim Oddziale GDDKiA każdego roku zwiększa się o ok. 60 proc. W 2007 r. przekroczy już miliard złotych.

Mimo znacznego wzrostu ruchu najcięższych samochodów, które mają wpływ na szybkość degradacji nawierzchni, stan techniczny sieci dróg krajowych w ciągu ostatnich 3 lat ulega poprawie, zwiększa się ilość i jakość wyremontowanych dróg.

W celu efektywniejszego wykorzystania środków i przyspieszenia realizacji zadań na terenie oddziału krakowskiego od lat wdrażane są nowe technologie i różne rozwiązania technologiczne:

• od 1999 r. do podbudów stabilizo-wanych mechanicznie oraz w nawierzchniach wykorzystywany jest żużel wielkopiecowy i stalowniczy z podkrakowskiej huty, odpowiednio przygotowywany na poszczególne frakcje kruszywa (ostatnio materiał ten stał się już reglamentowany),
  
• w warstwach bitumicznych wykorzystywane są siatki nowej generacji: szklane, węglowe, poliestrowe, stalowe „w slurry sealu",
  
• na wszystkich drogach kategorii 3-6 jako warstwa ścieralna powszechnie stosowana jest SMA,
  
• w 2003 r. po raz pierwszy w warstwie podbudowy zastosowano BAWMS,
  
• wykorzystywany jest materiał ze starych warstw asfaltowych poprzez recykling na miejscu warstwy podbudowy i warstwy wiążącej oraz wykonanie warstw z MCE,
  
• słabonośne podłoże z gruntów gliniastych jest wzmacnianie z użyciem różnych dodatków ulepszających np. lipiduru, sillmentu,
  
• Technologią wykorzystywaną na tzw. trudnych odcinkach jest recykling głęboki warstwy podbudowy z zastosowaniem środka EN-1.
  

Pierwszym bezpośrednim doświadczeniem z zastosowania technologii głębokiego recyklingu z dodatkiem środka EN-1 był odcinek obwodnicy Oświęcimia (ul. Zatorska) w ciągu drogi krajowej nr 44.

Od 1996 roku na nawierzchni asfaltowej zaczęły się pojawiać uszkodzenia w postaci spękań siatkowych, deformacji i ubytków. W kwietniu 1997 r. Okręgowe Laboratorium Drogowe w Krakowie wykonało pomiary ugięć sprężystych Benmkelmana. Ich analiza wykazała znaczne przekroczenie dopuszczalnych ugięć.

W podłożu niskiego nasypu tego odcinka zalegały grunty wysadzinowe (pyły, gliny pylaste, iły pylaste) miejscami z domieszką części organicznych do 9 proc.

Brak głębokiej naprawy powodował rozwój pęknięć siatkowych, zwiększając uszkodzenia powierzchni. Woda przedostawała się w głąb konstrukcji i powodowała jej przyspieszoną degradację. Pogarszaniu się stanu konstrukcji sprzyjały również nieutwardzone pobocza.

Po okresie zimowym, w lutym 2000 roku Laboratorium Drogowe w Krakowie wykonało pomiary nośności statyczną płytą VSS na warstwie podbudowy (pod wyciętymi warstwami asfaltowymi o grubości około 12 cm). Warstwę pod-budowy stanowiło rozlosowane kruszywo łamane wapienne 0/20.

Na warstwie tej otrzymano wyniki wtórnego modułu odkształcenia E2 = 95,7 MPa oraz 104,6 MPa co stanowiło 50 proc. wymaganego E2.

Wybór sposobu naprawy i usunięcia skutków uszkodzeń nawierzchni był trudny gdyż:

• na tym terenie występował wysoki poziom wód gruntowych,
  
• bliskie sąsiedztwo skrzyżowania uniemożliwiało odpowiednie podwyższenie niwelety i odsunięcie konstrukcji od wysadzinowego podłoża,
  
• zabiegi wgłębnej ingerencji i wzmocnienia podłoża wymagały zapewnienia ruchu objazdowego, co łączyłoby się z bardzo dużym utrudnieniem dla mieszkańców (przeniesienie ruchu przez osiedla mieszkaniowe),
  
• tradycyjne sposoby naprawy wiązały się z długotrwałym wyłączeniem tego odcinka z ruchu.

Fot. 1.  Stan drogi w lipcu 2001 r. przed remontem   

Biorąc pod uwagę trudności przy wyborze odpowiedniej metody naprawy i zlikwidowaniu istniejących uszkodzeń Laboratorium Drogowe wskazało na możliwość zastosowania technologii głębokiego recyklingu podbudowy z dodatkiem środka EN-1.

Przygotowano na to zadanie SST wykonania recyklingu głębokiego z użyciem środka EN-1. Specyfikacja została włączona do materiałów przetargowych na wykonanie naprawy tego odcinka drogi. Całe zadanie zostało zrealizowane w ciągu niespełna miesiąca (na przełomie września i października 2001 r.).

Przyjęta technologia umożliwiła wykonanie głębokiego recyklingu podbudowy z dodatkiem EN-1 na powierzchni ok. 5000 m2 w ciągu 2 tygodni. Roboty prowadzone były bez wyłączenia ruchu pojazdów. Zmiana pasa ruchu następowała po 3 dniach od wykonania recyklingu. Pojazdy poruszały się po warstwie zrecyklowanej do czasu położenia nawierzchni asfaltowej.

Na warstwie zrecyklowanej uzyskano wyniki nośności E2 > 200 MPa oraz zagęszczenie E2/E1 w granicach 2,0. Wytrzymałość próbek na ściskanie po 3 dniach wynosiła średnio 1,94 MPa, a po 28 dniach w granicach 2,76-3,08 MPa. Wskaźnik mrozoodporności był większy od 0,7. Wszystkie wyniki spełniały wymagania SST.

Szybki sposób naprawy zdegradowanego odcinka drogi poprawił bezpieczeństwo i komfort jazdy. Odtworzona z konieczności jedynie 11,5 - centymetrowa grubość warstw asfaltowych na podbudowie zrecyklowanej pozwoliła jednak na intensywną eksploatację nawierzchni przez ciężki tabor samochodowy w kolejnych latach i zapewniła wystarczającą nośność nawierzchni. Ugięcia Benmkelmana wykonane na wiosnę 2006 r. wykazały:

• na jezdni Uobl= 0,43,
  
• na poboczach (35 -centymetorwa warstwa stabilizowana z EN-1) Uobl=0,68.
  

Odcinek drogi długości 0,7 km, który był równocześnie poligonem doświadczalnym zastosowanej technologii w następnych latach zostanie włączony do modernizacji całego ciągu drogi krajowej nr 44.

Kompleksowa odnowa tego odcinka pozwoli na odpowiednie zwiększenie pakietu warstw asfaltowych i będzie przeciwdziałała powstawaniu spękań termicznych, które, niestety, pojawiły się po ostrej zimie 2005/2006 (temperatu-ry dochodzące do -30°C).

Fot. 3  Odcinek drogi krajowej nr 44, kwiecień 2007 r. (6 lat eksploatacji) 

Drugim zadaniem realizowanym z wykorzystaniem technologii EN-1 był odcinek drogi krajowej nr 94 Sławków-Olkusz (2005 r.).

Wymieniony dwujezdniowy odcinek (po dwa pasy ruchu) o utwardzonym poboczu klasyfikowany jest w kategorii ruchu KR6.

Droga ta wybudowana została w latach 70. ubiegłego wieku. W 1987 r. poddana została odnowie przez wyrównanie i nakładkę.

Nawierzchnia obu jezdni i poboczy ulegała różnorodnym zniszczeniom wywołanym przez ciężki ruch samochodowy - droga ta jest alternatywą dla autostrady Katowice-Kraków. Deformacje trwałe nawierzchni wynikające z odkształceń korpusu drogowego oraz odkształceń lepkoplastycznych warstw asfaltowych stały się w końcu zagrożeniem bezpieczeństwa dla użytkowników drogi.

Na przełomie lat 2002 i 2003 trzeba było w trybie awaryjnym zlikwidować największe wysadziny, sfalowania i koleiny (dochodzące do 15 cm). Również w trybie pilnym należało wykonać terenowe i laboratoryjne badania diagnostyczne i zaprojektować przebudowę uwzględniającą istniejący stan nawierzchni oraz jej przyszłe wymagania. Laboratorium drogowe GDDKiA w Krakowie wykonało badania, które wykazały:

• występowanie w podłożu - miejscami już na głębokości 40 cm - gruntów pylastych bardzo wysadzinowych oraz odpadów pohutniczych (o wskaźniku piaskowym WP dochodzącym nawet do 19 proc.) łatwo ulegających uplastycznieniu,
  
• miejscami wysadzinowy charakter mieszanki kruszywa łamanego dolomitowego i wapiennego, występującego bezpośrednio pod warstwami asfaltowymi,
  
• znaczne ugięcia sprężyste na jezdni i poboczach utwardzonych,
  
• występowanie szczególnie złych warunków wodnych w pobliżu kopalnianego kanału odwadniającego, przecinającego drogę na głębokości 1,5 m od powierzchni jezdni.
  

Badanie parametrów samych warstw asfaltowych (badanie składu, modułu sztywności pełzania, modułu sztywności sprężystej w NAT) potwierdziły, że warstwy te nie są odporne na odkształcenia lepkoplastyczne oraz nie mają wymaganej trwałości zmęczeniowej.

Po analizie istniejącego stanu przyjęto technologię wzmocnienia nawierzchni z zastosowaniem głębokiego recyklingu na zimno (podbudowy stabilizowanej dodatkiem środka EN-1 przy udziale małej ilości cementu).

Uzasadnieniem dla przyjętej technologii przebudowy było:

• znaczne ograniczenie robot rozbiórkowych, co miało ogromne znaczenie dla tej drogi,
  
• uniknięcie odkrycia podłoża gruntowego, niedopuszczenie do nawilgocenia podłoża wodą opadową co wiązałoby się z jego uplastycznieniem i pogorszeniem nośności,
  
• wykorzystanie słabonośnego materiału (częściowo rozlosowane kruszywa zasadowe, grunty pylasto-gliniaste oraz odpady pohutnicze zawierające glinokrzemiany, po recylingu ze środkiem EN-1 tworzące scaloną warstwę grubości 35 cm),
  
• przyjęcie technologii stwarzającej jednolitą konstrukcję na jezdni i poboczach utwardzonych,
  
• zaproponowana konstrukcja zapewniała zwiększoną nośność i trwałość zmęczeniową nawierzchni oraz mrozoodporność.
  

• sfrezowaniu istniejących warstw bitumicznych - ok. 10-15 cm,
  
• wykonaniu warstwy podbudowy grubości 35 cm metodą recyklingu na zimno na całej szerokości pasa ruchu i pobocza utwardzonego, przy użyciu specjalistycznych frezarko-mieszarek, wyposażonych w systemy dozowania wody i dodatku ulepszającego,
  
• ułożeniu i zagęszczeniu warstwy podbudowy z kruszywa łamanego 0/31,5 o grubości 15-20 cm,
  
• ułożeniu warstwy podbudowy z betonu asfaltowego BAO/25 o grubo-ści 13 cm,
  
• ułożeniu warstwy wiążącej z betonu asfaltowego BAO/20 o grubości 8 cm, 
  
• ułożeniu warstwy ścieralnej z mieszanki SMA 0/12,8 o grubości 4 cm.
  

Obliczenia wzmocnienia nawierzchni wykonane zostały z zastosowaniem metod mechanistycznych, określających trwałość konstrukcji na podstawie kryteriów zmęczeniowych Instytutu Asfaltowego USA stosując program komputerowy ELSYM5M.

Trwałość zmęczeniowa całej nawierzchni wyniosła 24,285 min osi/20 lat przy wymaganej trwałości 19,338 min.

W 2003 r. w technologii stabilizacji z dodatkiem EN-1 była realizowana odnowa nawierzchni przejścia przez Kalwarię Zebrzydowską. O wyborze tej technologii zadecydowały przede wszystkim brak możliwości podniesienia niwelety i parametry geotechniczne kruszywa i gruntu, które nadawały się do zastabilizowania EN-1.

Fot. 4  Droga krajowa nr 94 odcinek Sławków - Olkusz przed odnową - 2003 r.

Fot 5  Droga krajowa nr 94 odcinek Sławków - Olkusz po odnowie, kwiecień 2007 r.

Kolejnym zadaniem, które zostało wykonany w 2006 r. w tej technologii był odcinek drogi krajowej nr 44 i 28 - „przejście przez Zator".

Zniszczona nawierzchnia nie spełniała warunku mrozoodporności i wymagała wymiany na głębokość ok. 1 m w związku z wysadzinowymi gruntami pylastymi i gliniastymi. Podniesienie niwelety nie było możliwe - rozwiązanie to ograniczały przylegające chodniki i skrzyżowania dróg. W tej sytuacji zdecydowano się również na głęboki recykling i wykonano stabilizowaną podbudowę, na której ułożony został pakiet nowych warstw asfaltowych. * * *

Konwencjonalne metody napraw nawierzchni drogowych nie są jedynym rozwiązaniem. Czasami uwarunkowania komunikacyjne (brak możliwości objazdów), niemożność zmiany niwelety, potrzeba szybkiego wykonania zadania budowlanego, a także coraz większe trudności w zdobywaniu tradycyjnych materiałów skłania projektantów i wykonawców do poszukiwania nowych rozwiązań technologicznych.

Należy przy tym wziąć pod uwagę, że każde rozwiązanie projektowe ma swoje uwarunkowania - ta sama metoda za-stosowana w niewłaściwym miejscu może przynieść więcej szkody niż pożytku.

Zęby wybrać optymalną metodę konieczna jest dokładna analiza konkretnego odcinka drogi przeznaczonego do naprawy w kontekście diagnostycznych badań terenowych i laboratoryjnych.

Zastosowana po raz pierwszy w 2001 r. technologia naprawy nawierzchni przez głęboki recykling podbudowy z dodatkiem środka EN-1 na odcinku małopolskim drogi krajowej nr 44 w bardzo krótkim czasie zlikwidowała degradacje nawierzchni pochodzące od głębszych warstw i pozwoliła równocześnie zdobyć doświadczenia, które można było wykorzystać na kolejnych zadaniach.

Warunkiem powodzenia tej technologii jest odpowiedni sprzęt umożliwiający ścisłe przestrzeganie (kontrolowane przez nadzór) ilości dodawanego środka EN-1, oraz nieprzekraczanie dodatku cementu (niedopuszczenie do „usztywnienia" warstwy). Materiał recyklowany musi zawierać niezbędną ilość glinokrzemianów, które warunkują zachodzenie reakcji chemicznych ze środkiem EN-1 (sulfonowy D-limonen). W mieszance można by zredukować dodatek cementu do 2 proc, a w niektórych przypadkach (recykling z dodatkiem kruszywa wapiennego i dodatku destruktu) można by cement zupełnie wyeliminować.

BOŻENA BERNASIK
kierownik laboratorium
GDDKiA O/Kraków