DOŚWIADCZENIA Z BUDOWY I UTRZYMANIA NAWIERZCHNI …

DOŚWIADCZENIA Z BUDOWY I UTRZYMANIA NAWIERZCHNI BETONOWYCH W POLSCE

Prof. dr hab. inż. Antoni Szydło

Politechnika Wrocławska

Kielce, maj, 2017

Plan wystąpienia

1.Historia budowy nawierzchni

betonowych w Polsce

2. Rozwój konstrukcji nawierzchni

betonowych na drogach

3. Rozwój technologii nawierzchni

betonowych

4. Badania i utrzymanie nawierzchni

Historia budowy nawierzchni betonowych

• Pierwsza nawierzchnia betonowa w Europie – 1888 r. – plac Bluechera(Breslau - Wrocław) dzisiejszy Plac Solny

• Pierwsza nawierzchnia asfaltowa, 1837 r. Paryż - Place de la Concorde

Historia budowy nawierzchni betonowych – 1896 r.

Historia budowy nawierzchni betonowych -1909 r.

Historia budowy nawierzchni betonowych – 1940 r

Historia budowy nawierzchni betonowych – 1944 r

Historia budowy nawierzchni betonowych

• Lata 30 ubiegłego wieku – budowa autostrady A4 łączącej zagłębie Ruhry z zagłębiem górnośląskim

Historia budowy nawierzchni betonowych

Przebieg sieci autostrad niemieckich

1936 r.

A4

Widok starej nawierzchni betonowej A4 -1995 r.

Nawierzchnie betonowe –przebudowa 1995 r.

Kruszenie starej nawierzchni betonowej A4 – materiał użyty do warstwydolnej betonowej i mrozoochronnej

Nawierzchnie betonowe- przebudowa 1995 r. Krzyżowa - Krzywa

Beton B40, Płyty dyblowane i kotwione , 26cmGórna 7 cm warstwa nowy materiał

Dolna warstwa 19 cm, materiał z płyt kruszonych

Grunt stabilizowany cementem,

fc = 3,5 – 5,0 MPa, 20cm

Warstwa mrozoochronna

Materiał z kruszonych płyt – 30 cm

E2 150 MPa

Nawierzchnie betonowe – 1995 –Krzyżowa - Krzywa

Nawierzchnie betonowe – Krzyżowa -Krzywa

Kotwy Ø 20 mm, 80 cm długość,rozstaw co 1 m -> w podłużnejszczelinie

Dyble Ø 25, 60 cm długość, rozstaw 25 cm -

> co 5 m

Nawierzchnie betonowe

Nawierzchnie betonowe – Wrocław- Krzyżowa-2002; Krzyżowa – Zgorzelec - 2010; Krzyżowa-

Olszyna - 2009

Płyty betonowa, B40, płyty dyblowane i kotwione, 27cm

Chudy beton, fc = 6 – 9 MPa, 20cm

Podłoże

Geo-włóknina 450-550 g/m2

Grunt stabilizowany cementem, R =1.5–2.5 MPa, 15-30 cm

Warstwa mrozoochronna, CBR>30% , 30cm

E2 150 MPa

WYKONYWANIE SZCZELIN SKURCZOWYCH – przykład

WYKONYWANIE SZCZELIN DYLATACYJNYCH – przykład

profil

wkładka ochronna

faza < 3mm

masa zalewowakord

wkładka ochronna

faza < 3mm

KONSTRUKCJA SZCZELIN DYLATACYJNYCH

KONSTRUKCJA SZCZELIN DYLATACYJNYCH

cement

cement + piasek

cement + piasek + kruszywo

powierzchnia zaprawy

beton

NAWIERZCHNIA W STREFIE PRZYPOWIERZCHNIOWEJ

TECHNOLOGIE WYKAŃCZANIA NAWIERZCHNI

Nawierzchnie betonowe A4 –podbudowa z kruszywa -1300 m

Podłoże gruntowe

Grunt stabilizowany cementem fc =1.5 – 2.5 MPa, 15cm

Warstwa mrozoochronna CBR>30% grubosci, 25cm

Beton cementowy, B40, płyty dyblowane i kotwione, 30cm

Kruszywo lamane stabilizowane mechanicznie 0/31.5, 30cm

E2 200 MPa

Beton cementowy klasy B40, 0,23 m

Chudy beton Rm=6-9 MPa, 0,20 m

Warstwa mrozoochronna, 0,35 m

Grunt stab. cementem Rm = 2,5 MPa

Podłoże gruntowe

pęknięcieskurczowe

szczelinapodłużna

zbrojenie

podłużne: φ16 co 12.5cm

poprzeczne: φ12 co 100cm

NAWIERZCHNIE O CIĄGŁYM ZBROJENIU A4 – odcinek doświadczalny

2,0 – 2,5%

Nawierzchnie o ciągłym zbrojeniu –A4 -1013 m

Beton o ciągłym zbrojeniu, B40, 23cm

Chudy beton, fc = 6 – 9 MPa, 20cm

Podłoże

Grunt stabilizowany cementem, fc =1.5-2.5 MPa, 17 cm

Warstwa mrozoochronna, 35cm

Nawierzchnie o ciągłym zbrojeniu

Pręty podłużne Ø 20 mm, odstęp 18 cm

Pręty poprzeczne Ø 12 mm, odstęp 70 cm

Nawierzchnia betonowa o ciągłymzbrojeniu–A4

Lokalizacja zbrojenia w płycie

11cm

23cm

φ20 co 18cm

φ12 co 70cm

0.7m

pręty podłużne

φ20 co 18cm

pręty poprzeczne

φ12 co 70cm

połączenie prętów

na długości 0.7m

65°

Lokalizacja zbrojenia

1.10m

0.65m

4.80m 944.20m4.80m

0.65m

4.80m 4.80m

480cm

23cm

65cm

8cm

φ12

φ20 co 18cm

φ12 co 70cm (ukośne)

φ12 co 70cm (prostopadłe)

φ16 co 20cm

Nawierzchnie betonowe o ciągłym zbrojeniu

Nawierzchnie betonowe o ciągłym zbrojeniu

Autostrada A2 – projekt PPP nawiększy w Europie – 106 km

WA

RS

ZA

WA

BE

RL

IN

Nawierzchnie betonowe – A2Dwuwarstwowa płyta dybl. 27 / 28 / 29 cmC30/37, fc ≥ 40 MPa ; fc,f ≥ 5,5 MPa ;górna w.5 cm

Chudy beton fc = 6 – 12 (15) MPa, 20cm

Podłoże

Geowłóknina 450-550 g/m2

Warstwa mrozoochronna, 33 / 32 / 31 cm

E2120 MPa

E2 60 MPa

Nawierzchnie betonowe

Powierzchnia po odkryciu

Powierzchnia przed

odkryciem

Nawierzchnie betonowe z odkrytym kruszywem -A2

Nawierzchnie betonowe

• Kruszywo:

• - Max.ziarno:8 mm

• - PSV 53• Mieszanka beton.:• cement 420 kg/m³• grubość: min. 5 cm

Nawierzchnie betonowe

A2 EAC (not trafficked)

DW780 Kraków SMA5

DW780 Kraków SMA11

DW780 Kraków BBTM8

DW780 Kraków PA8

DW780 Kraków BA12,8

A2 BC

Typowe

nawierzchnie

asfaltowe

„Odkryte kruszywo” -

nawierzchnia betonowa

„Ciche” nawierzchnie

asfaltowe

97,7

Nawierzchnie betonowe A2 ciągłe zbrojenie

Nawierzchnie betonowe A2 ciągle zbrojenie – kozły oporowe

Nawierzchnie betonowe A2

E2=60MPa

E2=120MPa

Nawierzchnia o ciągłym zbrojeniu A2

Nawierzchnia o ciągłym zbrojeniu A2

Cechy nawierzchni o ciągłym zbrojeniu

1. Brak szczelin poprzecznych

2. Występują mikrospękania

3. Pełna współpraca na mikrospękaniach

4. Może być nawierzchnią długowieczną

5. Trwałość zmęczeniowa tych nawierzchni to ok.

150 000 000 osi 115 kN.

6.Aktualnie w Polsce ok. 2,5 do 3 mln osi na rok na nawierzchniach betonowych

7. Żywotność ok. 50 lat

Warstwa ścieralna, SMA5 cm

UKŁAD WARSTW NAWIERZCHNI DŁUGOWIECZNEJ O CIĄGŁYM ZBROJENIU

Górne warstwy

nawierzchni

Dolnewarstwy

nawierzchni

Podłożegruntowe

22 cm

18 cm

Płyta betonowa - zbrojona

Warstwa poślizgowa, beton asfaltowy

Warstwa podbudowy zasadniczej z mieszanki związanej spoiwem hydraulicznym

chudy beton

Warstwa ulepszonego podłoża

E2 = 120 MPa

5 cm

15 - 30 cm

Podsumowanie nawierzchni o ciągłym zbrojeniu

1. Aktualnie mamy w Polsce dwa odcinki nawierzchni

betonowej o ciągłym zbrojeniu

2. Wyniki badań wykazują, że trwałość zmęczeniowa tych

nawierzchni jest znacznie większa do tradycyjnych

3. Nawierzchnie betonowe o ciągłym zbrojeniu wg

doświadczeń zagranicznych nie wymagają dużych

nakładów na utrzymanie

4. Sanacja górnej warstwy nawierzchni za pomocą mma

powinna dać dobre rozwiązania

5. Trwałość zmęczeniowa to ok. 150 000 000 osi 115 kN.

Żywotność ok. 50 lat

Rodzaje nawierzchni na autostradach i drogach ekspresowych

istniejące naw. asfaltowe

projektowane naw. asfaltowe

istniejące naw. betonowe

projektowane naw. betonowe

inne planowane drogi ekspresowe

Połączenia nawierzchni betonowej z asfaltową na mostach

Nawierzchnia asfaltowa

Szczelina połączeniowa

na ściskanie

Beton cementowy

Szczelina

pozorna

GeowłókninaWarstwa mrozoochronna

Chudy betonWkładka

piankowa

Łożysko

Dylatacja

> 15.00 5.00

3.700.60.7

Nawierzchnia asfaltowa

Szczelina połączeniowa

na ściskanie

Warstwa mrozoochronna

Geowłóknina

Odwodnienie

φ 16/0.2m

φ 16/0.5m

φ 16/0.2m

φ 12

Izolacja

0.80

0.60.7

Nawierzchnia betonowa na mostach L = 20 m

Beton cementowy

Geowłóknina

Warstwa ochronna i izolacja

Szczelina podłużna

Pasy ruchuKapa mostowa Kapa mostowa

Przykład nawierzchni betonowej o ciągłym zbrojeniu na moście L > 20 m

przegub

płyta o ciąglym zbrojeniu

dylatacja

beton asfaltowy 5cm

płyta przejściowa

podbudowa

płyta o ciągłym zbrojeniu

warstwa poślizgowa

izolacja

ustrój nośny

dylatacja

Badania nośności - utrzymanie

Wykre

s wsp

ółczynników

prze

nosze

nia ob

ciążeń

Sekcja 1

, rok 2006 oraz 2

007

Se

kc

ja 1

, pa

s w

oln

y

Ws

pó

łczn

nik

prze

no

sze

nia

ob

ciąże

ń

0,0

0

0,1

0

0,2

0

0,3

0

0,4

0

0,5

0

0,6

0

0,7

0

0,8

0

0,9

0

1,0

0

89,500

91,000

93,000

95,000

97,000

99,000

101,000

103,000

105,000

107,000

109,000

111,000

113,000

115,000

117,000

119,000

121,000

123,000

125,000

127,000

132,000

134,000

136,000

138,000

140,000

142,000

144,000

146,000

148,000

150,000

Lo

ka

liza

cja

, km

Współczynnik przenoszenia obciążeń, -

k_m

in 2

006

k_m

in 2

007

Stosunek ugięć krawędzi płyt naw. tradycyjna

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

odległości [m]

u2/u

1

Sr. = 0,89

Stosunek ugięć krawędzi przy spękaniu naw. zbrojona

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

odległości [m]

u2s/u

1s

Sr. = 0,99

Prz

ykła

dow

y w

ykre

s tr

wał

ości

zm

ęcz

enio

wej

Sekc

ja 5

, 2006r. Trw

ałość

zmęc

ze

nio

wa

(o

sie

115

kN

), p

as

wo

lny

1000000

10000000

100000000

1000000000

102,

700 10

4,000

106,

000 10

8,000

110,

500 11

2,300

114,

700 11

6,300

118,

700 12

0,600

122,

300 12

4,000

126,

100 12

8,600

130,

800 13

2,500

134,

700 13

6,700

138,

800 14

0,900

142,

700 14

4,600

146,

200 14

7,300

149,

745

Pu

nkt,

km

N [ES

AL]

Nawierzchnie betonowe

Badania trwałości A2

• km 23+500 do 30+000Trwałość – 51 000 000 osi 115 kNPrognoza – 40 600 000 osi 115 kN• km 58+000 do 65+00Trwałość – 49 500 000 osi 115 kNPrognoza – 40 600 000 osi 115 kN

Nawierzchnie betonowe - badania Wartości modułów warstw

dla pasa ruchu wolnego

100

1000

10000

100000

1000000

101,000 106,000 111,000 116,000 121,000 126,000 131,000 136,000 141,000 146,000 151,000

Punkt, km

E,

MP

a

E1 E2 E3

Historia budowy nawierzchni betonowych w Polsce

• 1995 r. – Recykling starej nawierzchni betonowej – Krzywa – Krzyżowa – 17 km

• 2002 r – przebudowa A4 Wrocław –Krzyżowa – 92 km

• 2010 – Budowa A4 – Krzyżowa –Zgorzelec – 50 km

Historia budowy nawierzchni betonowych w Polsce

• 2009 – Budowa A18 Krzywa – Olszyna –60 km

• 2012 – Budowa A2 – Nowy Tomyśl –Świecko 105 km

• 2012 – przebudowa i budowa S8 – 160 km

• 2014 - Droga wojewódzka Świdnica – A4

Analiza kosztów budowy i utrzymania

W administracjach drogowych na świecie prowadzi sięanalizy:

-LCA – Life Cycle Assessment – Ocena Cyklu Życia – procesoceny wpływu produktu lub usługi na środowisko w całymokresie życia produktu,

-LCC – Life Cycle Costing – Koszt Cyklu Życia – suma

wszystkich kosztów ponoszonych podczas cyklu życia

wyrobu – budowa-użytkowanie-likwidacja,

-LCI – Life Cycle Inventory – Analiza zbioru w cyklu życia –

etap gromadzenia danych potrzebnych do realizacji LCA

Analizy kosztów budowy i utrzymania

W administracji drogowej amerykańskiej w 33 stanach od2008 roku stosuje się analizy LCC.

Z analiz Texas Department of Transportation wynika, że wciągu 50 lat koszt budowy nawierzchni betonowych obniżyłsię o około 20%, natomiast ceny asfaltu wzrosły o 95%.

W 2013 roku w USA koszty budowy nawierzchni betonowychbyły 10 do 20% niższe od nawierzchni podatnych.

Prezentacja dotyczy kosztów budowy i utrzymanianawierzchni sztywnych i podatnych w Polsce

Scenariusz utrzymaniowy nawierzchnie asfaltowe

Nawierzchnie podatne – wymiana warstw!

Po 9 latach wymiana warstwy ścieralnej

Po 18 latach 40% wymiana warstwy ścieralnej i wiążącej

Po 18 latach wymiana 60% warstwy ścieralnej

Po 27 latach wymiana 60% warstwy wiążącej i ścieralnej

Po 27 latach wymiana 40% warstwy ścieralnej

Scenariusz utrzymaniowy – nawierzchnie betonowe

Nawierzchnie sztywne – wymiana materiałów szczelin,

wymiana pękniętych płyt (13% spękanych płyt)!

Po 9 latach wymiana uszczelnień szczelin podłużnych i poprzecznych

•Po 18 latach wymiana 5% płyt

•Po 15 latach sanacja powierzchni,

Po 18 latach wymiana uszczelnień szczelin podłużnych ipoprzecznych

•Po 24 latach wymiana 3% płyt

•Po 27 latach wymiana uszczelnień szczelin podłużnych ipoprzecznych

•Po 27 latach wymiana 5% płyt

Porównanie kosztów całkowitych – budowa + utrzymanie

5 3

33

20

0.0

0

5 3

78

60

0.0

0

5 1

88

00

0.0

0

2 5

09

81

4.0

8

2 4

86

04

9.0

8

2 4

27

74

9.0

8

0

1 000 000

2 000 000

3 000 000

4 000 000

5 000 000

6 000 000

A1-KR7 B-KR7 C-KR7

ko

szt

[P

LN

]

Typ konstrukcji

naw. podatna

naw. sztywna KR7

podbud. z kruszywa podbud. z bet. asf. podbud. z m. związanej spoiwem hydraul.

Koszty całkowite budowy i utrzymania po 30 latach typowych budowanych w Polsce

0

1 000 000

2 000 000

3 000 000

4 000 000

5 000 000

6 000 000

koszt

[PLN]

podatna A1-KR7

sztywna III-KR7

k.

bu

do

wy

k.

całk

ow

ity

33%

82%

57%

k.

utr

zym

an

ia

Warstwa podbudowy - kruszywo łamane stab. mech. C90/3

h [cm]

18

20 120 MPa

180 MPa

84 Warstwa ścieralna - SMA wg WT2

Warstwa wiążąca - AC16W wg WT2

Warstwa podbudowy - AC22P wg WT2

120 MPa

29

20

Płyta betonowa C35/45, dyblowana i kotwiona

Warstwa poślizgowa – powierzchniowe utrwalenie

Warstwa podbudowy – mieszanka związana spoiwem hydraul. C8/10

Analiza hałaśliwości nawierzchni betonowychZakład Dróg i Lotnisk – Politechnika Wrocławska

Rodzaje badanych konstrukcji nawierzchni

Chudy beton6-9 MPa

Chudy beton6-9 MPa

Krusz. Łamane stab. mech.

Płyta za szczelinami dyblowanymi na podbudowie

z kruszywa (A4)

Płyta zbrojona bez szczelin dylatacyjnych na podbudowie

z chudego betonu (A4, A2)

Płyta za szczelinami dyblowanymi na podbudowie z chudego betonu (A4, A2, S8)

A4

A2

S8

Analiza hałaśliwości nawierzchni betonowychZakład Dróg i Lotnisk – Politechnika Wrocławska

Identyfikacja odcinków badawczych

Analiza hałaśliwości nawierzchni betonowychZakład Dróg i Lotnisk – Politechnika Wrocławska

Rodzaje badanych tekstur nawierzchni

Szczotkowanie poprzeczne Odkryte kruszywo

Analiza hałaśliwości nawierzchni betonowychZakład Dróg i Lotnisk – Politechnika Wrocławska

Wpływ tekstury i równości

na hałaśliwość

– International Roughness Index (IRI)

– Tekstura: wskaźniki RMS i MPD

80

.0

81

.0

82

.0

83

.0

84

.0

12:15 - 12:30

12:30 - 12:45

12:45 - 13:00

13:00 - 13:15

13:15 - 13:30

13:30 - 13:45

13:45 - 14:00

14:00 - 14:15

14:15 - 14:30

14:30 - 14:45

14:45 - 15:00

15:00 - 15:15

15:15 - 15:30

15:30 - 15:45

15:45 - 16:00

16:00 - 16:15

16:15 - 16:30

Ró

wn

ow

ażn

y p

ozio

m d

źwię

ku

-PP

H1

80

.0

81

.0

82

.0

83

.0

84

.0

12:15 - 12:30

12:30 - 12:45

12:45 - 13:00

13:00 - 13:15

13:15 - 13:30

13:30 - 13:45

13:45 - 14:00

14:00 - 14:15

14:15 - 14:30

14:30 - 14:45

14:45 - 15:00

15:00 - 15:15

15:15 - 15:30

15:30 - 15:45

15:45 - 16:00

16:00 - 16:15

16:15 - 16:30

Ró

wn

ow

ażn

y p

ozio

m d

źwię

ku

-PP

H2

80

.0

81

.0

82

.0

83

.0

84

.0

12:15 - 12:30

12:30 - 12:45

12:45 - 13:00

13:00 - 13:15

13:15 - 13:30

13:30 - 13:45

13:45 - 14:00

14:00 - 14:15

14:15 - 14:30

14:30 - 14:45

14:45 - 15:00

15:00 - 15:15

15:15 - 15:30

15:30 - 15:45

15:45 - 16:00

16:00 - 16:15

16:15 - 16:30

Ró

wn

ow

ażn

y p

ozio

m d

źwię

ku

-PP

H3

80

.0

81

.0

82

.0

83

.0

84

.0

12:15 - 12:30

12:30 - 12:45

12:45 - 13:00

13:00 - 13:15

13:15 - 13:30

13:30 - 13:45

13:45 - 14:00

14:00 - 14:15

14:15 - 14:30

14:30 - 14:45

14:45 - 15:00

15:00 - 15:15

15:15 - 15:30

15:30 - 15:45

15:45 - 16:00

16:00 - 16:15

16:15 - 16:30

Ró

wn

ow

ażn

y p

ozio

m d

źwię

ku

-PP

H4

mia

rod

ajn

y p

ozio

m d

źwie

ku

81

.9 d

b d

la p

p 9

5%

mia

rod

ajn

y p

ozio

m d

źwie

ku

82

.2 d

b d

la p

p 9

5%

mia

rod

ajn

y p

ozio

m d

źwie

ku

83

.6 d

b d

la p

p 9

5%

mia

rod

ajn

y p

ozio

m d

źwie

ku

82

.9 d

b d

la p

p 9

5%

Wstę

pne an

alizy wpływ

u rod

zaju n

awie

rzchni n

a A4 n

a poziom

dźw

ięku

j. półn

ocna: (ciągłe

zbroje

nie

, bez szcze

lin

dylatacyjn

ych),

budow

a 2005 rok

j. półn

ocna: (d

yblow

ana

z dylatacjam

i),

bu

do

wa 2

005 ro

k

j. połu

dniow

a: (dyb

low

an

a

z d

yla

tacja

mi),

bu

do

wa 2

001 rok

j. po

łud

nio

wa : (d

yb

low

an

a

z d

yla

tacja

mi),

bu

do

wa 2

001 ro

k

Podsumowanie

• Aktualnie funkcjonują normyeuropejskie które określają wymagania materiałowe i technologiczne

Podsumowanie

• Wymagania obejmują mieszanki betonowe jak i również betony oraz wykonane nawierzchnie (konsystencja, zawartość powietrza, mrozoodporność, odporność na działanie soli, wytrzymałości, wymagania odnośnie dybli kotew, cementu, kruszyw itp.)

Podsumowanie

• Opracowano ogólne specyfikacje techniczne,

• Zaktualizowany został Katalog nawierzchni betonowych

• Budowa nawierzchni betonowych wyzwala pozytywną konkurencję z nawierzchniami asfaltowymi

Podsumowanie - perspektywy

• Doskonalenie nawierzchni betonowych w zakresie redukcji hałasu,

• Rozwój technologii whitetoppingu• Prace nad koncepcją nawierzchni

długowiecznych mieszanychbetonowo-asfaltowych

Dziękuję za uwagę

Ugięciomierz dynamiczny FWD

Badania nośności - utrzymanie