ZBROJENIE NAWIERZCHNI ASFALTOWYCH SIATKAMI STALOWYMI ROAD MESH®

Pomysł wykorzystania zbrojenia stalowego do wzmacniania nawierzchni podatnych narodził się w latach 50-tych XX wieku. Koncepcja opierała się na zastosowaniu materiału, który zapewni wytrzymałość na rozciąganie w dolnej strefie warstw asfaltowych, której nie zapewnia sama mieszanka mineralno-asfaltowa. Problemy montażowe oraz doświadczenia eksploatacyjne wynikające ze stosowania arkuszy siatek z prętów spawanych, spowodowały wyhamowanie rozwoju tej technologii. Do pomysłu powrócono na początku lat 90-tych, kiedy firma Maccaferri wprowadziła na rynek siatkę o oczkach sześciokątnych wykonaną z podwójnie splatanego drutu stalowego. Dzięki elastyczności siatki splatanej udało się wyeliminować wady pierwotnego rozwiązania i zachować oczekiwaną wytrzymałość na rozciąganie stali.

Rodzaje i właściwości różnych materiałów do zbrojenia nawierzchni podatnych
Przy projektowaniu zbrojenia nawierzchni asfaltowych konieczne jest rozważenie na wstępie dwóch zagadnień. Po pierwsze jaki rodzaj materiału powinien być zastosowany, po drugie jaką strukturą powinien charakteryzować się ten materiał?
Intensywny rozwój i wykorzystanie geosyntetyków w budownictwie spowodowały, że zastosowanie zbrojenia w nawierzchniach remontowanych dróg asfaltowych i betonowych stało się powszechne. Pośród materiałów, wykorzystywanych do zbrojenia nawierzchni zastosowanie znalazły geowłókniny nasączane masami bitumicznymi, geotkaniny, geosiatki i geokompozyty. Doświadczenia z eksploatacji wskazują, że nie wszystkie spośród stosowanych geosyntetyków są skutecznym materiałem do wzmacniania nawierzchni podatnych. Odpowiednie do zastosowania w funkcji zbrojenia przenoszącego naprężenia rozciągające w dolnej części nawierzchni asfaltowej są materiały charakteryzujące się stosunkowo dużą sztywnością i niskim odkształceniem. Wśród wyrobów geosyntetycznych wymogi te spełnia przede wszystkim siatka z włókien szklanych. Produktem, który charakteryzuje się pod tym względem najlepszymi parametrami jest splatana siatka stalowa RoadMesh® (rys. 1).
Struktura materiału ma szczególne znaczenie z uwagi na zachowanie ciągłości między poszczególnymi warstwami asfaltu w miejscu ułożenia zbrojenia. Z tego względu nieodpowiednie jest użycie geowłóknin i geotkanin, które działają jak warstwa separacyjna. Problem ten wyeliminowany jest przy zastosowaniu geosiatek. Istotną przewagą siatki stalowej RoadMesh®, która posiada otwartą strukturę 3D (rys. 2), w stosunku do geosiatek o strukturze płaskiej, jest mocne klinowanie się kruszywa w oczkach siatki oraz odpór na żebrach, przy jednoczesnym zapewnieniu ciągłości połączenia dolnych i górnych warstw asfaltowych.
Zbrojenie nawierzchni stosowane jest głównie przy remontach dróg betonowych i asfaltowych, gdy konieczne jest uzyskanie odpowiednich parametrów eksploatacyjnych bez modernizacji istniejącej podbudowy. Odpowiednie zastosowanie siatki RoadMesh® powoduje, że wzmocniona warstwa mieszanki mineralno-asfaltowej ma znacząco większą odporność na:

•  spękania zmęczeniowe,
•  spękania termiczne,
•  spękania odbite,
•  koleinowanie,
•  fałdowanie.

W przypadku dróg nowobudowanych zastosowanie zbrojenia umożliwia wydłużenie czasu bezawaryjnej eksploatacji przy dużym obciążeniu ruchem.

Rys. 1. Właściwości materiałów stosowanych do zbrojenia nawierzchni asfaltowych

Rys. 2. Przestrzenna struktura siatki RoadMesh® powodująca klinowanie kruszywa

Wyniki badań laboratoryjnych i polowych
W ciągu ostatnich 15 lat przeprowadzono klika rozbudowanych programów badawczych, których celem była ocena działania zbrojenia stalowego RoadMesh® w nawierzchniach podatnych. Najszersze programy badawcze zostały zrealizowane na Uniwersytecie Nottingham [1], na Uniwersytecie Cagliari [2], w amerykańskim projekcie Smart Road [3] oraz w projekcie Catania University [4]. Metodologia i programy badań zespołów badawczych były różne, ale uzyskane wyniki są zasadniczo spójne. Można je podsumować w następujący sposób:

•  siatka RoadMesh® jest w stanie przedłużyć żywotność drogi ze współczynnikiem > 3;
•  liczba cykli inicjujących powstawanie pęknięć jest mniejsza o 1,15–3,6;
•  współczynnik redukcji pęknięć waha się między 1,36–1,52.

W ramach jednego z badań na Uniwersytecie Nottingham [1], dla różnych rodzajów stosowanego zbrojenia, mierzono wielkość i szybkość powstawania pęknięć w warstwie asfaltu poddanej działaniu obciążeń cyklicznych odzwierciedlających ruch pojazdów. Wyniki przedstawione na rysunku 3 potwierdzają, że najbardziej efektywne zbrojenie zapewnia siatka stalowa RoadMesh®. Umożliwia ona ponad 3-krotne wydłużenie czasu eksploatacji nawierzchni.

Rys. 3. Wielkość spękań nawierzchni (mm) w zależności od liczby cykli obciążeń dla różnych rodzajów zbrojenia

Parametry techniczne siatek RoadMesh® Omega
Siatki RoadMesh® Omega wykonane są z podwójnie zaplatanej siatki stalowej o oczku sześciokątnym, z poprzecznie wplecionymi prętami stalowymi rozmieszczonymi w odstępach około 16cm, posiadającymi na końcach podwójne odgięcia w kształcie litery Ω (rys. 4), gwarantujące właściwe zakotwienie w warstwach asfaltu. Wysokiej jakości drut stalowy stosowany do wykonania siatki pokryty jest grubą warstwą cynku, która zapewnia długotrwałą ochronę przed korozją zgodnie z klasą A wg PN-EN 10244-2. Spośród wielu dostępnych rodzajów siatek różniących się grubością drutu oraz wytrzymałością (tab. 1), najbardziej uniwersalne są siatki RoadMesh® LG Omega oraz RoadMesh® SG Omega, które oferują jednakową wytrzymałość na rozciąganie w kierunku podłużnym i poprzecznym.

Przykłady wykorzystania RoadMesh® w remontach nawierzchni
Siatka RoadMesh® jest wykorzystywana przede wszystkim przy remontach nawierzchni. Pierwotnie technologia montażu siatki do podłoża polegała na jej mechanicznym mocowaniu za pomocą kołków stalowych w ilości ok. 1 szt./1,5 m2 . Oprócz bezsprzecznych zalet tej technologii pojawiały się także negatywne doświadczenia, wynikające z kłopotów z odpowiednim przyleganiem siatki do podłoża w przypadku stosowania bardzo cienkiej warstwy przekrywającej MMA (<5 cm). Opracowana przez firmy wykonawcze i zastosowana do mocowania siatek RoadMesh® technologia slurry seal, pozwoliła na wyeliminowanie mankamentów montażu mechanicznego.

Tab. 1. Parametry techniczne siatek RoadMesh® Omega

¹⁾ Wytrzymałość na rozciąganie siatki wg PN-EN 15381

Technologia slurry seal polega na mocowaniu siatki RoadMesh® za pomocą półpłynnej mieszanki mineralno-emulsyjnej rozkładanej na zimno, tworzącej warstwę sczepno-wypełniającą. Mieszanka jest wytwarzana i układana bezpośrednio w miejscu wbudowania za pomocą samobieżnej maszyny roboczej, pełniącej funkcje wytwórni oraz rozkładarki. Do chwili obecnej siatka RoadMesh® została wykorzystana w wielu inwestycjach drogowych. Właściwości zbrojenia RoadMesh® umożliwiające zmniejszenie grubości warstw MMA, układanie bezpośrednio na nawierzchniach silnie spękanych lub brukowych, oraz łatwość i szybkość montażu zadecydowały o wyborze tego materiału przy realizacji poniższych inwestycji.

Rys. 4. Charakterystyka geometryczna siatki RoadMesh®

Remont nawierzchni asfaltowej na ul. Racławickiej w Warszawie wymagał utrzymania niwelety drogi ze względu na istniejące studzienki i krawężniki. Zastosowanie nowej nawierzchni asfaltowej nie zapewniało uzyskania odpowiedniej nośności i trwałości nawierzchni. Rozwiązaniem problemu niewystarczającej grubości nawierzchni było zastosowanie zbrojenia z siatki stalowej RoadMesh®. Pozwoliło to zredukować wymaganą grubość nawierzchni i pozostawić studzienki i krawężniki na tej samej wysokości. Remont ul. Wybrzeże Wyspiańskiego we Wrocławiu był konieczny, ponieważ eksploatacja przedwojennej nawierzchni z kostki brukowej, w wyniku dużego natężenia ruchu pojazdów, doprowadziła do zniszczenia drogi. W solidnie wykonanej nawierzchni sprzed ponad 60 lat zaczęły pojawiać się ubytki pojedynczych, a nawet kilkunastu sąsiednich kostek. Wyrwy w nawierzchni stanowiły niebezpieczeństwo dla poruszających się po niej pojazdów. Zaprojektowano wykonanie nawierzchni z betonu asfaltowego zamiast remontu nawierzchni z kostki brukowej. Aby ograniczyć koszty i uzyskać trwałą i nośną nawierzchnię zdecydowano o ułożeniu warstw asfaltowych bezpośrednio na kostce brukowej. Zastosowanie siatki stalowej RoadMesh® pozwoliło na redukcję grubości docelowej nawierzchni (rys. 5).

Rys. 5. Remont nawierzchni brukowej

Na lotnisku we Wrocławiu droga kołowania w wyniku eksploatacji i ciągłego zwiększania liczby połączeń wymagała modernizacji. Nawierzchnia asfaltowa była mocno wyeksploatowana i uszkodzona w wyniku obciążeń jakie powodowały poruszające się po niej samoloty. Standardowym rozwiązaniem w takich sytuacjach jest wymiana wierzchniej części nawierzchni na nową. Projektant zdecydował się na zastosowanie siatki RoadMesh®, której zadaniem było przenoszenie naprężeń rozciągających w dolnej części nawierzchni. Prace były realizowane na całej powierzchni remontowanej drogi kołowania (10 000 m2 ) z podziałem na wydzielone obszary, co pozwoliło na normalne funkcjonowanie lotniska w trakcie trwania robót. Największym wyzwaniem był krótki harmonogram prac i kolizje z lądującymi samolotami. Z tego powodu prace prowadzono poza ruchem oraz w godzinach nocnych (rys. 6).

Rys. 6. Remont nawierzchni drogi kołowania na lotnisku we Wrocławiu

Podsumowanie
Siatki RoadMesh® są z powodzeniem stosowane przy remontach nawierzchni drogowych zarówno podatnych jak i sztywnych. Unikalna struktura 3D oraz duża wytrzymałość na rozciąganie przy niskich odkształceniach, przyczyniają się do znaczącej poprawy wytrzymałości wzmacnianych warstw asfaltowych. Objawia się to między innymi zwiększeniem trwałości nakładek nad spękaniami odbitymi i zmęczeniowymi. Zakres stosowania siatek RoadMesh® obejmuje między innymi:

•  wzmocnienie nakładek nad połączeniami nawierzchni sztywnych i półsztywnych,
•  wzmocnienie nawierzchni narażonych na duże natężenie ruchu,
•  wzmocnienie nawierzchni posadowionych na słabych podbudowach,
•  wzmacnianie stref przejściowych przy poszerzeniu dróg (eliminacja podłużnych pęknięć),
•  naprawy nawierzchni wykazujących problem koleinowania,
•  naprawy nawierzchni ze spękaniami zmęczeniowymi,
•  naprawy nawierzchni ze spękaniami odbitymi np. od sztywnej podbudowy.

Zbrojenie nawierzchni podatnych siatkami stalowymi RoadMesh® Omega może być zaprojektowane w sposób efektywnie wydłużający żywotność nawierzchni, która zależy od grubości warstwy MMA i nośności konstrukcji nawierzchni.

Literatura

•  Brown s. F., Thom N. H., Sanders P. J., A study of grid reinforced asphalt to combat reflection cracking J. Assoc. Paving Technologists, 2001, Vol. 70, pp. 543-571.
•  Coni M., Bianco P. M., Steel reinforcement influence on the dynamic behavior of bituminous pavement, Proceedings of the 4th International RILEM Conference – Reflective Cracking in Pavements, 2000, E & FN Spon, pp. 3¬12
•  Mostafa E., Al-Quadi I., Effectiveness of Steel Reinforcing Nettings in Combating Fatigue Cracking in New Pavement Systems, Paper n° 04¬4901 presented at the 83rd Annual Transportation Research Board, 2004, National Research Council, Washington DC.
•  Cafiso S., Di Graziano A., Evaluation of flexible reinforced pavement performance by NDT, Annual Transportation Research Board, 2003, National Research Council, Washington DC.
•  PN-EN 10244-2:2010 Drut stalowy i wyroby z drutu – Powłoki z metali nieżelaznych na drucie stalowym – Część 2 Powłoki z cynku lub ze stopu cynku
•  PN-EN 15381:2010 Geotekstylia i wyroby pokrewne – Wymagania w odniesieniu do wyrobów stosowanych w nawierzchniach i nakładkach asfaltowych