Referaty Naukowe

RECYKLING NAWIERZCHNI MINERALNO - BITUMICZNYCH W TECHNOLOGII GŁĘBOKIEJ STABILIZACJI

VII Międzynarodowa Konferencja TRWAŁE I BEZPIECZNE NAWIERZCHNIE DROGOWE; Kielce, 8-9 maja 2001 

Autorzy:
Dr inż. Krzysztof Chlipalski Politechnika Śląska, Gliwice
Zbigniew Bukowski EnvTech Poland s.c., Katowice

Streszczenie

Olbrzymie niedoinwestowanie drogownictwa skłania do poszukiwania i wdrażania technologii dających gwarancję trwałości konstrukcji i obniżenia jej kosztów. Dotychczasowe zastosowania EN-1 i doświadczenia (10 lat) wskazują na technologię głębokiej stabilizacji z jego wykorzystaniem. Stabilizator EN-1 ułatwia tworzenie z gruntów wysadzinowych i wątpliwych materiału odpowiadającego ulepszeniu podłoża do G1, daje także znakomite efekty wykorzystywany w recyklingu nawierzchni mineralno-bitumicznych.

Przedstawione w referacie zagadnienia i wnioski mają walory praktycznej użyteczności dla inwestorów, projektantów i wykonawców.

1. Wprowadzenie

Stan techniczny polskich dróg jest fatalny i często zagraża bezpieczeństwu użytkowników. Raport o stanie technicznym, tylko dróg krajowych, na koniec 1999 roku informuje, że aż 65,9% nawierzchni wymaga wyrównania lub wzmocnienia, a jedynie 18,8% nie wymaga żadnych zabiegów naprawczych. Konieczne są ogromne nakłady niezbędne dla powstrzymania dalszej degradacji dróg, szczególnie wobec wzrastającego obciążenia ruchu i zwiększenia dopuszczalnej nośności do 11,5 t/oś (wymagania Unii Europejskiej i NATO).

Kapitalny remont wykonywany w technologii całkowitej wymiany konstrukcji na spełniającą wymagania mechanistycznego ujęcia, na bazie katalogu Typowych Konstrukcji, jest materiałochłonny i bardzo kosztowny.

Wobec niewielkich rocznych budżetów gmin na remont dróg lokalnych: osiedlowych, wiejskich, rolniczych, utwardzanie poboczy czy parkingów - remonty najczęściej realizowane są technologią usuwającą tylko skutek bez eliminowania przyczyny destrukcji. Często inwestorzy nieświadomi nowoczesnych możliwości technologiczno-materiałowych, uzależnieni od „zagonionych" projektantów (krótkie terminy, mnogość zleceń), przyjmują archaiczne rozwiązania od początku skazane na niepowodzenie - ograniczoną trwałość.

Zastosowanie nowoczesnych technologii w naprawie tylko górnych warstw konstrukcji nawierzchni na nic się zdaje przy słabym podłożu i zniszczonej (zaglinionej, spękanej) podbudowie. Coraz częściej stosowane różnego typu geosyntetyki, stan ten polepszają, ale to nie zawsze rozwiązuje problem.

Ulepszanie podłoża pod nowe konstrukcje tylko w aspekcie uzyskania wymaganej nośności i pozostawienie klasycznej konstrukcji nawierzchni daje z pewnością większą gwarancją poprawienia trwałości lecz w dalszym ciągu jest materiałochłonne i kosztowne.

Dodatkowo często inwestorzy podchodzą bardzo sceptycznie do ulepszania podłoża np. mieszanką gruntowo-cementową ze względu na niebezpieczeństwo wystąpienia spękań skurczowych.

Co zrobić by zapewnić większą trwałość konstrukcji - wyeliminować koleinowanie, wysadziny i zmniejszyć jej materiałochłonność oraz obniżyć koszty budowy i utrzymania.

Z niezwykłym trudem dobre rozwiązania technologiczne budowy czy renowacji dróg stają się faktem. Głównie inwestorzy zagraniczni i prywatni, otwarci na innowacje, widzący korzyści i oszczędności z nowatorskich metod, bez wahania decydują się na nowe rozwiązania. Dotyczy to zarówno mniejszych zadań, jak i bardzo poważnych przedsięwzięć, czego przykłady są już na terenie Polski.

Jedną z technologii trwałego wzmacniania podłoża gruntowego oraz renowacji nawierzchni z pełnym recyklingiem materiału, w tym z warstw mineralno-bitumicznych, jest głęboka stabilizacja z zastosowaniem ROADBOND EN-1.

2. RoadbondEN-1

Stabilizator - spoiwo drogowe EN-1 - opatentowany wyrób CSS Technology, INC (USA) jest w postaci płynnego koncentratu, charakteryzującego się wskaźnikiem pH=l,0 i gęstością 1,7 g/cm3. W postaci rozcieńczonej w wodzie w stosunku nie mniej niż 1:200 jest to produkt bezpieczny ekologicznie.

EN-1 zawiera mocny utleniacz, silny rozpuszczalnik oraz naturalny dyspergator. Wzajemne oddziaływanie tych składników wzbudza naturalnie występujące w gruncie cementy mineralne i wiąże cząsteczki gruntu tworząc materiał analogiczny do większości skał osadowych. Rozpuszczalnik w trakcie wprowadzania do gruntu umożliwia utleniaczowi dostęp do szeregu soli mineralnych. To działanie rozdziela także równo jony minerałów w mieszance zwiększając przyciąganie cząsteczek i znacznie zmniejszając próżnie.

W efekcie poddany oddziaływaniu EN-1 materiał znacząco zwiększa swoją gęstość i twardość, podczas gdy utrzymywana elastyczność jest większa niż w formacjach skał twardych. Hermetyczność materiałów i eliminacja próżni wewnętrznych tworzy materiał wysoce odporny na przenikanie wody lub innych cieczy bez względu na stopień lepkości.

Fot.1 Podłoże drogowe z ok. 55% kamienia wapiennego (kalcytu) i ok. 45% materiału gliniastego - luźna struktura materiału o dużych cząstkach i wolnych przestrzeniach, absorbująca wodę.

Fot.2 Podłoże drogowe z fot.1 po zaaplikowaniu środka EN-1 (większe kawałki zostały rozdrobnione, zespolone i wypełnione skrystalizowaną masą, tworząc zwartą strukturę elastycznej skały osadowej).

EN-1 jest najbardziej skuteczny w gruncie ze znaczącą zawartością gliny, wapnia, materiałów petrochemicznych, cementów naturalnych czy innych naturalnych minerałów. Natomiast jest mało skuteczny w podłożu z dużą koncentracją piasku (ponad 40% objętości). W takim przypadku, aby uzyskać dobre wyniki, należy do takiego gruntu dodać gliny.

Znaczący wzrost wytrzymałości na ściskanie, gęstości i nośności osiąga się przez dogłębne wprowadzenie cementu portlandzkiego, skruszonego wapnia, popiołu lotnego lub zregenerowanego asfaltu do bazowej mieszaniny gruntu.

W glebach zanieczyszczonych lotnymi i bardzo niebezpiecznymi petrochemikaliami takimi jak benzyna, ropa, oleje, toluen, itd., stwierdzono, że EN-1 redukuje wysokie stężenia utajonych zanieczyszczeń do bezpiecznego poziomu. Dzięki wzajemnej reakcji rozpuszczalnika i utleniacza następuje częściowe uwolnienie (wydmuchanie) substancji lotnych, a ich pozostałości są obudowane jonowym i cementowym wiązaniami. Tak przebudowany materiał tworzy nieprzenikalną powierzchnię odporną na oddziaływanie wody i skutecznie powstrzymuje wymywanie trujących składników. Jednocześnie otrzymuje się utwardzone powierzchnie - tanią, wysokiej jakości nawierzchnię gruntową.

EN-1 oddziaływuje na produkty petrochemiczne, powodując ich zmiękczenie i częściowe rozpuszczenie oraz związanie z istniejącym podłożem w znacznie twardszy, bardziej elastyczny materiał niż pierwotne podłoże. Z dodatkiem 2-3% cementu portlandzkiego naprężenia ściskające i nośność podłoża zwiększa się jeszcze bardziej. Dzięki temu EN-1 jest wyjątkowo skuteczny w naprawie istniejących dróg z warstwami minetalno-bitumicznymi.

3. Zastosowania i uzyskane efekty

EN-1 jest stosowany na skalę przemysłową w USA, Kanadzie i Meksyku od 1991 r., gdzie przynosi rewelacyjne efekty doceniane przez wielu bardzo poważnych inwestorów. Ministerstwo Transportu Płd. Australii, niezależne laboratoria i eksperci technologii drogowych w Indiach, Ameryce Łacińskiej, Chinach i innych krajach, gdzie wykonawstwo i eksploatacja dróg napotyka na ekstremalne warunki tak budowy jak i użytkowania w coraz szerszym zakresie stosują EN-1 jako środek znacząco wpływający na trwałość nawierzchni.

W Polsce EN-1 zaczął być stosowany od 1996 r. Wykonano dotychczas wiele stabilizacji różnych gruntów wysadzinowych, a także mieszanek z łupkiem przepalonym i żużlem. Wszystkie odcinki próbne, także odkryte, narażone bezpośrednio na wpływy atmosferyczne jak i różne obciążenia transportem przetrwały do dziś w dobrym lub bardzo dobrym stanie pomimo upływu czterech okresów zimowych. Te same odcinki w przypadku stabilizacji cementem bez EN-1 uległyby degradacji już po jednym okresie zimowym. Można tu podać przykłady: parkingi w Nakle Śląskim, Lublińcu i Gliwicach, drogi osiedlowe w Kornowacu, Olzie, Pszczynie, Czeladzi.

Wykonane podbudowy w latach 1998-1999 z glin stabilizowanych cementem (3%) + EN-1 bezpośrednio pod nawierzchnie z kostki drogowej lub 4 cm warstwę betonu asfaltowego -na terenie magazynów „Buderusa" w Czeladzi, Geant Casino k/ Łodzi, parkingu „Gulfibera" w Gliwicach do dnia dzisiejszego są w stanie niezmiennym pomimo obciążenia bardzo ciężkim transportem.

W 1999 r. zastosowano stabilizację z użyciem EN-1 pod posadzkę obiektów kubaturowych Centrum Handlowego w Tarnowie, gdzie zalegał mokry grunt gliniasty przeznaczony bezwzględnie do wymiany. Zaoszczędzono znaczne środki finansowe i umożliwiono późną jesienią kontynuację robót montażowych.

Także podjęcie decyzji o stabilizacji gruntu gliniastego z użyciem EN-1 w trakcie remontu drogi A-4 Legnica-Wrocław przyniosło pozytywne wyniki, a próby mrozoodpomości wycinków pobranych z podbudowy wytrzymały ponad 14 cykli zamrażań.

W 2000 r. zastosowano m.in. EN-1 przy stabilizacji gruntu pod płytę postojową samolotów na lotnisku w Katowicach-Pyrzowicach, w centrum handlowym w Świętochłowicach i Sosnowcu, tak pod parkingi jak i posadzki hal, unikając wymiany wielu tysięcy m3 gruntu gliniastego.

Preparat EN-1 przeciwdziała powstawaniu spękań skurczowych we wzmacnianych podłożach lub podbudowach z gruntu stabilizowanego spoiwem hydraulicznym, co eliminuje problem powstawania spękań odbitych.

Poddany oddziaływaniu EN-1 materiał znacząco zwiększa swoją gęstość poprzez spajanie cząstek gruntu, poprawia swą zagęszczalność, eliminuje próżnie, stwarzając tym samym wysoką odporność na przenikanie wody lub innych cieczy bez względu na stopień lepkości.

Wykonane 25-35 cm warstwy gruntu stabilizowanego z użyciem EN-1 stworzyły dzięki uzyskanej wysokiej nośności solidną podstawę dla dalszych warstw drogowych, a w wielu wypadkach do ich znaczącego zmniejszenia.

Dotychczasowe obserwacje i badania w terenie pozwalają stwierdzić, że:

1. Wykonane warstwy gruntu stabilizowanego cementem (3-4%) z dodatkiem EN-1, osiągają wtórny moduł znacznie powyżej 120 MPa, np:
   • Tarnów Centrum Handlowe średnio 220 MPa (po 7 dniach)
   • Świętochłowice Centrum Handlowe średnio 270 MPa (po 7 dniach)
   • Płyta postojowa samolotów Katowice średnio 400 MPa
   • A-4 wyniki w granicach 280-360 MPa.
2. Wykonane odkryte nawierzchnie gruntowe w postaci zastabilizowanej warstwy gliny (cementem 4% + EN-1) nawet po 2-3 okresach zimowych nie wykazały oznak destrukcji, pęknięć, kolein (Nakło Śl., Krościenko).
3. Wykonane nawierzchnie z kostki betonowej ułożonej na podsypce piaskowej bezpośrednio na zastabilizowanej 35 cm warstwie gruntu, pomimo ciężkiego ruchu transportowego i upływu już 3 lat, są w niezmiennym bardzo dobrym stanie (np. place manewrowe magazynu „Buderus" w Czeladzi, plac w Lublińcu).
4. Nawierzchnie mineralno-bitumiczne o grubości 4 cm ułożone bezpośrednio na podbudowie gruntowej z gliny zastabilizowanej cementem + EN-1, po 2-3 latach nadal nie mają kolein, pęknięć lub odkształceń (np. parking przed dyrekcją „Gulfibera" w Gliwicach, place manewrowe magazynów Geant Casino pod Łodzią).
5. Poddane silnemu nawodnieniu warstwy zastabilizowanego gruntu (cement + EN-1) nie uległy destrukcji i wykazały pełną mrozoodpomość (droga A-4 odcinek Wrocław-Legnica km 104).

Znakomite wyniki uzyskano na poligonach w terenie [1]. Zestawienie prezentowane na V konferencji [2] - istniejącą drogę gruntową ulepszoną łupkiem przywęglowym przepalonym (na rodzimym podłożu warstwa 15 cm łupka) poddano remontowi na głębokość 25 cm z dodatkiem 4% cementu:

W tych samych warunkach terenowych i atmosferycznych widoczny jest korzystny wpływ stabilizatora EN-1 na nośność.

W 1998 roku rozpoczęto stosowanie EN-1 do głębokiego recyklingu nawierzchni mineralno-bitumicznych wraz z istniejącą podbudową tłuczniową i gruntem. Zrealizowano już odcinki dróg w Olzie, w Imielinie, w Nowym Sączu (fot.3, 4 i 5) i okolicach. Efekty ekonomiczne i czasowe były widoczne natychmiast, gdyż uniknięto wymiany zużytych mas drogowych oraz długotrwałego zamknięcia dróg. Schemat ideowy (rys. 1 i 2) remontu nawierzchni z obciążeniem KR2.

Rys.1 Stan przed remontem - nawierzchnia mineralno-bitumiczna grub. 6-8 cm - występują koleiny, pękniecia, ubytki. Podbudowa grub. >40 cm z otoczaków i grunt gliniasto-piaszczysty (G2).

Rys.2 Efekt głębokiego recyklingu na 40 cm. Zastabilizowana mieszanka gruntu, otoczaków i masy mineralno-bitumicznej z dodatkiem cementu 3-4% + EN-1 przykryta nową warstwą mineralno-bitumiczną (5 cm).

Korzyści techniczne potwierdzają również uzyskane średnie wyniki nośności podbudowy wykonanej w technologii recyklingu konstrukcji nawierzchni z warstwami mineralno-bitumicznymi z stabilizacją cementem i EN-1:

ulica Poprzeczna w Olzie - do stabilizacji wykorzystano materiał ze zniszczonej przez powódź nawierzchni asfalto-betonowej.

droga krajowa nr 75 w Nowym Sączu - grubość wykonanej jednorazowo podbudowy 35 cm: po 1 dobie 140 MPa, po 6 dobach 300 MPa (moduły wtórne).

Fot.3 Nowy Sącz - droga krajowa nr 75 w trakcie remontu.

Fot.4 Nowy Sącz - droga krajowa nr 75 - odkrywka konstrukcji przed remontem.

4. Badania laboratoryjne

W pierwszym etapie rozpoczętych badań laboratoryjnych (rys. l) skoncentrowano się na ocenie wpływu stężenia EN-1 na zagęszczenie destruktu, nasiąkliwość i wytrzymałość na ściskanie zagęszczonej masy oraz mrozoodpomość.

Rys.1 Wyniki badań destruktu stabilizowanego cementem.

5. Wnioski

5.1. Stabilizacja gruntów z użyciem EN-1

5.1.1. EN-1 przyczynia się do powierzchniowego oraz częściowego wgłębnego zaimpregnowania grudek gruntów spoistych eliminując ich pęcznienie.

5.1.2. EN-1 ułatwia zagęszczenie gruntu, a przy wprowadzeniu spoiwa utrzymuje elastyczność warstwy większą niż w typowych formacjach skał osadowych.

5.1.3. EN-1 w gruntach spoistych łączy poszczególne cząstki gruntu likwidując pustki wewnętrzne i powodując hermetyczność powstałej masy, przez co materiał staje się wysoce odporny na przenikanie wody lub innych cieczy bez względu na stopień ich lepkości, a także uzyskuje duży stopień mrozoodpomości.

5.1.4. EN-1 umożliwia trwałą stabilizację gruntów zawierających ponad 20% frakcji ilastej.

5.1.5. Wszystkie zrealizowane zadania i odcinki próbne (także odkryte) w terenie z użyciem niewielkiej ilości cementu (3-4 %) oraz dodatku EN-1 przetrwały 1-4 okresów zimowych w dobrym lub bardzo dobrym stanie.

5.1.6. Grunty stabilizowane cementem z dodatkiem EN-1 mogą być stosowane jako ulepszone podłoże drogowe lub jako podbudowa pomocnicza pełniąca łącznie czy też odrębnie, funkcję warstwy mrozoochronnej, odcinającej przenikanie cząstek gruntu do podbudowy tłuczniowej, a także jako warstwy wzmacniającej, umożliwiającej lepszy rozkład naprężeń np. nasypów czy ciężkiego ruchu na grunty słabonośne.

5.1.7. Wykonywane poza normowe badania laboratoryjne udowodniły pełną mrozoodpomość próbek gruntu stabilizowanego cementem + EN-1 i nasyconego do wilgotności 19 %.

5.1.8. Należy prowadzić monitoring wykonanych stabilizacji w aspekcie ich trwałości, a następnie opracować specyfikacje techniczne dla technologii stabilizacji z wykorzystaniem środka EN-1. W następstwie zajdzie potrzeba opracowania nowych wymagań normowych umożliwiających racjonalne wykorzystanie specyficznego działania EN-1 w budownictwie drogowym.

5.1.9. Na podstawie dotychczasowych doświadczeń uzasadnione staje się zalecanie stosowania dodatku EN-1 przy stabilizacji cementem gruntów wysadzinowych i wątpliwych.

5.2. Wykorzystanie EN-1 w recyklingu nawierzchni z warstwami mineralno-bitumicznymi

5.2.1 Uzyskane średnie wyniki nośności na podbudowie w technologii recyklingu z stabilizacją cementem i EN-1 potwierdzają zasadność jego stosowania.

5.2.2 EN-1 rozmiękcza powierzchniowo błonkę bitumiczną ułatwiając zagęszczenie, likwidując pustki wewnętrzne i powodując hermetyczność powstałej masy destruktu m-b przez trwałe łączenie jego cząstek.

5.2.3 Destrukt stabilizowany cementem z dodatkiem EN-1 może być stosowany jako zasadnicza podbudowa drogowa dla każdego obciążenia ruchem.

6. Literatura

1. Chlipalski K. Projektowanie receptur i badanie konstrukcji w technologii głębokiej stabilizacji. Prace NB (170/97 i 256/98), Politechnika Śląska Gliwice,

2. Chlipalski K. Przydatność łupków przywęglowych do konstrukcji autostrad V Międzynarodowa Konferencja "Trwałe i bezpieczne nawierzchnie drogowe". Kielce 1999,

3. Bińczyk A., Gonsior W., Jabłoński T., Kóska P.: Wzmacnianie podłoża i podbudów nawierzchni drogowych metodą stabilizacji z wykorzystaniem nowoczesnych technologii Politechnika Śląska Gliwice 1988.