Projekt okładki: Lidia Michalak-Mirońska

Wydawca: Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Martyna Grebocka

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.
Michał Latusek

Recenzenci:

Prof. dr hab. inż. Marek Iwański, Politechnika Świętokrzyska

Dr hab. inż. Paweł Mieczkowski, prof. ZUT

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2023r. (Wydanie I)
Warszawa 2023

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2023

ISBN: 978-83-01-22585-8

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288,

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl, reklama@pwn.pl
www.pwn.pl

Od autorów

Najpopularniejszą technologią budowy nawierzchni drogowych na świecie i w Polsce jest technologia, wykorzystująca asfalt jako materiał wiążący, który uważany jest za najdoskonalszy materiał wymyślony przez człowieka do budowy nawierzchni drogowych.

Nowoczesne nawierzchnie drogowe powinny być trwałe, bezpieczne, przyjazne dla środowiska i spełniać wymagania zrównoważonego rozwoju. Wymaga się, by materiały stosowane do budowy tych nawierzchni wpływały na ograniczenie hałasu od ruchu samochodowego, przyczyniały się do redukcji emisji gazów cieplarnianych i zanieczyszczeń związanych z ruchem samochodowym oraz poddawały się recyklingowi. Analizując technologię budowy i eksploatacji nawierzchni asfaltowej w całym cyklu życia, należy stwierdzić, że technologia ta bardzo korzystnie wpisuje się w te wymagania. Nawierzchnie z warstwami z mieszanek mineralno-asfaltowych charakteryzują się największą skutecznością w redukcji hałasu komunikacyjnego. Rozwiązania materiałowo-technologiczne z zastosowaniem specjalnych lepiszczy asfaltowych oraz mieszanek mineralno-asfaltowych o strukturze półotwartej i otwartej pozwalają na obniżenie emisji hałasu toczenia o 2–5 dB. Stosując „ciche nawierzchnie”, można ograniczyć używanie drogich ekranów akustycznych (ochrona krajobrazu, wzrost komfortu życia mieszkańców). Ponadto podkreślić należy, że technologia asfaltowa jest jedyną, która umożliwia pełne wykorzystanie właściwości recyklowanego materiału w postaci destruktu asfaltowego, nie tylko jako cennego źródła kruszywa, ale również jako pełnowartościowego lepiszcza asfaltowego.

W odpowiedzi na zmniejszenie energochłonności technologii, coraz powszechniej stosuje się do budowy dróg asfaltowe technologie o obniżonych temperaturach wytwarzania i zagęszczania mieszanek mineralno-asfaltowych, mieszanki na ciepło i na półciepło. Obecnie wprowadza się do budownictwa drogowego również mieszanki mineralno-asfaltowe z lepiszczami ekologicznymi, stosowanymi w technologii na zimno (biolepiszcza otrzymywane z olejów roślinnych).

Obecnie następuje intensywny rozwój rozwiązań materiałowo-technologicznych w zakresie asfaltowych nawierzchni inteligentnych, takich jak nawierzchnie samonaprawialne oraz samoodladzające się.

Autorzy mają nadzieję, że prezentowana książka będzie przydatna dla kadry technicznej, firm wykonawczych, personelu laboratoriów naukowo-badawczych oraz studentów wyższych uczelni technicznych, studiów doktoranckich i uczestników studiów podyplomowych w zdobywaniu nowoczesnej wiedzy w zakresie technologii nawierzchni asfaltowych, spełniających wysokie wymagania techniczne i środowiskowe oraz stosujących najnowsze rozwiązania materiałowo-technologiczne i konstrukcyjne.

1

Wprowadzenie

Nawierzchnie drogowe w Polsce i na świecie są głównie budowane w dwóch technologiach: asfaltowej i betonowej (z betonu cementowego). Z konstrukcyjnego punktu widzenia nawierzchnia wykonana w technologii asfaltowej tworzy konstrukcję podatną lub półsztywną, natomiast nawierzchnia wykonana w technologii betonu cementowego – konstrukcję sztywną. Konstrukcje z warstwami asfaltowymi (podatne lub półsztywne) w budownictwie światowym są dominujące i stanowią około 95% nawierzchni twardych, ulepszonych wszystkich kategorii obciążenia ruchem [113], [83]. Nawierzchnie asfaltowe w Europie stanowią około 90% sieci drogowej [112]. Według najnowszych danych [11] średni krajowy udział nawierzchni asfaltowych w Stanach Zjednoczonych wynosi 93,97%, a nawierzchni z betonu cementowego – 6,03%.

Najważniejszym materiałem stosowanym do budowy warstw asfaltowych jest asfalt zaliczany do jednego z najstarszych budowlanych materiałów wiążących. Słowo „asfalt” pochodzi z czasów starożytnego Babilonu, skąd później przeszło do Grecji i oznaczało „mocny”, „odporny”, „zabezpieczający”. Następnie przeniknęło do języka łacińskiego i dalej do wszystkich języków: romańskich, anglosaskich i słowiańskich [167].

Pierwsze odnotowane użycie asfaltu miało miejsce ok. 3800 lat p.n.e. przez Sumerów. W wykopaliskach prowadzonych w okolicach Bagdadu odkryto fragmenty ścian i posadzek z okresu 3200 do 2900 lat p.n.e., wykonane z bloków kamiennych, spojonych zaprawą asfaltową [1], [39]. Należy stwierdzić, że asfalt, jako materiał wiążący, był stosowany wcześniej niż wapno.

Jako lepiszcze, używano w starożytnym Babilonie asfaltu przy budowie systemów odwadniających, murów obronnych, dróg oraz budowli (w tym pałacu Nabuchodonozora). W wykopaliskach starożytnej Persji (2800-2500 lat p.n.e.) odkryto również zastosowanie asfaltu, jako materiału wiążącego, w formie zaprawy asfaltowej. Starożytni Egipcjanie (2500 do 1500 lat p.n.e.) wykorzystali właściwości konserwujące asfaltu, używając go do mumifikacji zwłok.

Oprócz właściwości wiążących i izolacyjnych, asfalt był również traktowany jako środek leczniczy przeciw wszelkim chorobom, o czym pisze Pliniusz Młodszy w swej XXXV Księdze [167]. O złożach płynnego asfaltu w Baku wspomina Marco Polo podczas podróży do Chin w XIII w. Pierwsze próby naukowej klasyfikacji i opisu materiałów bitumicznych wiążą się z odkryciem dużych złóż asfaltów naturalnych, a zwłaszcza jeziora asfaltowego na wyspie Trynidad, którego dokonał w 1595 r. sir Walter Raleigh.

W czasach nowożytnych (XV–XVI w.) asfalt naturalny stosowano do uszczelniania statków. W drogownictwie znalazł zastosowanie po raz pierwszy w 1835 r. na Placu de la Concorde w Paryżu, gdzie ułożono pierwszą nawierzchnię w postaci asfaltu prasowanego. Wykorzystano tam rozdrobnioną skałę osadową, przesączoną asfaltem naturalnym.

Pierwsze nawierzchnie asfaltowe na świecie były wykonane z asfaltów naturalnych. Przełomowym zdarzeniem było odkrycie i opatentowanie w USA w 1881 r. procesu otrzymywania asfaltów z ropy naftowej.

Należy podkreślić, że pierwsze próby zastosowania asfaltów w Polsce miały miejsce przed 1914 r. na ul. Wilczej w Warszawie. Inżynier Sznuk wykonał odcinek próbny z asfaltu lanego, który przetrwał do 1928 r. Zastosowanie asfaltu do budowy dróg w Polsce na większą skałę datuje się od 1926 r. (Warszawa, Poznań, Kraków) [167]. W tym czasie w państwowej rafinerii ropy „Polamin” w Borysławiu przeprowadzono prace badawcze nad udoskonaleniem jakości asfaltów. W ich wyniku polskie asfalty mogły, pod względem jakości, konkurować z asfaltami importowanymi. Duży wkład w tym zakresie wniósł powołany w 1929 r. Drogowy Instytut Badawczy przy Politechnice Warszawskiej pod kierunkiem prof. M. Nestorowicza [25], [144], [167]. Zostały ustalone właściwości krajowych asfaltów, stosowanych do budowy nawierzchni drogowych, z zasadniczym podziałem na asfalty bezparafinowe, o zawartości do 2% parafiny, i asfalty parafinowe, zawierające powyżej 2% parafiny (5–7%). W okresie powojennym, na podstawie doświadczeń z lat międzywojennych, została ustanowiona nowoczesna, jak na tamte czasy, norma na asfalty drogowe, uwzględniająca ówczesne warunki użytkowania dróg [119], [144]. Ze względu na złe doświadczenia związane z budową nawierzchni w technologii betonu cementowego w latach sześćdziesiątych XX w. wycofano się z tej technologii i w następnych latach nawierzchnie drogowe budowano wyłącznie w technologii asfaltowej. Na uwagę zasługuje budowa w latach siedemdziesiątych drogi dwujezdniowej asfaltowej jako drogi szybkiego ruchu Warszawa–Katowice [123].

Duże znaczenie w rozwoju technologii nawierzchni asfaltowych miało zastosowanie polimerów do modyfikacji asfaltów. Pierwsze takie modyfikacje asfaltów polimerem SBS przeprowadzono w latach 50-tych XX w., a powszechne stosowa-nie modyfikacji asfaltów drogowych polimerami w Europie i USA rozpoczęło się w latach 60-tych XX w. W Polsce w latach 90-tych na szeroką skalę zaczęto stosować lepiszcze modyfikowane polimerami.

Po wejściu Polski do Unii Europejskiej budowa nowych i przebudowa istniejących dróg stały się jednym z głównych zadań inwestycyjnych. Otworzyły się przed Polską nowe możliwości rozwoju i postępu w budownictwie drogowym, co oznaczało niespotykane dotychczas szanse zbudowania nowoczesnego systemu dróg. Rozpoczęto w kraju proces wdrażania norm europejskich oraz opracowano nowe wymagania techniczne, uwzględniające innowacyjne rozwiązania materiałowo-technologiczne. Obowiązujące obecnie wymagania dotyczące budownictwa drogowego są zgodne z aktualnymi standardami światowymi.

Nawierzchnie autostrad, dróg ekspresowych i innych dróg są budowane przede wszystkim w technologii asfaltowej, z zastosowaniem najnowszych rozwiązań materiałowo-technologicznych i konstrukcyjnych. Obecnie budowane drogi można zaliczyć do najnowocześniejszych w Europie pod względem technicznym, spełniające jednocześnie wysokie wymagania ochrony środowiska i zrównoważonego rozwoju.

2

Rozwiązania konstrukcyjne nawierzchni asfaltowych

Konstrukcja nawierzchni drogowej jest to układ warstw wraz ze sposobem ich połączenia, służący do przejmowania i rozkładania obciążeń od ruchu na podłoże i zapewniający dogodne warunki ruchu. Rolą nawierzchni drogowej jest również bezpieczne przejmowanie obciążeń od zmiennych warunków klimatycznych. Ogólny schemat konstrukcji nawierzchni z aktualnym podziałem na warstwy górne, dolne konstrukcji oraz podłoże gruntowe przedstawiono na rys. 2.1 [65].

Konstrukcja nawierzchni

(nawierzchnia)

Warstwy górne konstrukcji nawierzchni

Warstwa ścieralna

Warstwa wiążąca

Podbudowa zasadnicza

Górna warstwa podbudowy zasadniczej

Dolna warstwa podbudowy zasadniczej

Warstwy dolne konstrukcji nawierzchni

Podbudowa pomocnicza

Warstwa mrozoodporna

Podłoże gruntowe nawierzchni

Warstwa ulepszonego podłoża

Grunt rodzimy w wykopie lub grunt nasypowy w nasypie, zakwalifikowany do jednej z grup nośności podłoża od G1 do G4

Rys. 2.1. Schemat konstrukcji nawierzchni [65]

W skład konstrukcji nawierzchni (rys. 2.1) wchodzą następujące warstwy:

a) warstwa ścieralna,

b) warstwa wiążąca,

c) podbudowa zasadnicza z podziałem na górną i dolną,

d) podbudowa pomocnicza,

e) warstwa mrozoochronna (pełniąca w razie potrzeby funkcję warstwy odsączającej).

Warstwa ścieralna jest to górna warstwa nawierzchni, poddana bezpośredniemu oddziaływaniu ruchu i czynników atmosferycznych.

Warstwa wiążąca jest to warstwa znajdująca się między warstwą ścieralną a podbudową zasadniczą, zapewniająca lepsze rozłożenia naprężeń od kół pojazdów i ich przekazywanie na podbudowę zasadniczą.

Podbudowa jest to dolna część konstrukcji nawierzchni, która służy do przenoszenia obciążeń od ruchu na podłoże. Podbudowa może składać się z podbudowy zasadniczej i podbudowy pomocniczej.

Podbudowa zasadnicza jest to górna część podbudowy, spełniająca funkcje nośne konstrukcji nawierzchni. Może zawierać warstwę wzmacniającą i/lub warstwę wyrównawczą.

Podbudowa pomocnicza jest to dolna część podbudowy, przekazująca obciążenie od ruchu na podłoże gruntowe.

Warstwa mrozoochronna jest to warstwa, której głównym zadaniem jest ochrona nawierzchni przed skutkami mrozu i zwiększenie nośności warstw dolnych konstrukcji nawierzchni. W przypadku złych warunków wodnych, warstwa mrozoochronna pełni także funkcję warstwy odsączającej.

Podłoże gruntowe nawierzchni stanowi grunt rodzimy lub nasypowy, leżący pod nawierzchnią, którego właściwości mają wpływ na projektowanie, wykonanie i eksploatację nawierzchni drogi. Warstwę górną podłoża gruntowego, w razie jego niskiej nośności, może stanowić warstwa ulepszonego podłoża.

Podłoże ulepszone jest wierzchnią warstwą podłoża, leżącą bezpośrednio pod nawierzchnią, ulepszoną w celu spełnienia warunku wymaganej nośności. Warstwa ulepszonego podłoża może pełnić także funkcję warstwy odsączającej.

Warstwa odsączająca jest to warstwa służąca do odprowadzenia wody przedostającej się do nawierzchni, stosowana w złych warunkach wodnych. Rolę warstwy odsączającej może pełnić warstwa mrozoochronna lub warstwa ulepszonego podłoża, wykonana z materiału o odpowiedniej wodoprzepuszczalności.

Warstwa odcinająca warstwa stosowana w celu uniemożliwienia przenikania drobnych cząstek ilasto-pylastych z gruntowego podłoża spoistego do najniżej leżącej warstwy, wykonanej z materiału ziarnistego.

W zależności od materiałów stosowanych do warstw nawierzchni asfaltowych, rozróżnia się konstrukcje nawierzchni podatnej i półsztywnej. Konstrukcja nawierzchni podatnej jest to konstrukcja, w której warstwy: ścieralna i wiążąca, wykonane są z mieszanek mineralno-asfaltowych, a warstwa lub warstwy podbudowy zasadniczej – z materiałów niezwiązanych spoiwami hydraulicznymi (mieszanki mineralno-asfaltowe, mieszanki niezwiązane). Natomiast konstrukcja nawierzchni półsztywnej jest to konstrukcja nawierzchni, w której warstwy: ścieralna i wiążąca, wykonane są z mieszanek mineralno-asfaltowych, a przynajmniej jedna z warstw podbudowy zasadniczej wykonana jest z materiałów związanych spoiwami hydraulicznymi (mieszanki związane spoiwami hydraulicznymi, grunty stabilizowane spoiwami hydraulicznymi).

Szczególnym rodzajem konstrukcji jest nawierzchnia na obiekcie mostowym. Na pomostach obiektów mostowych układa się warstwę izolacji, po uprzednim zagruntowaniu podłoża, a następnie wykonuje się nawierzchnię, która składa się z warstwy ochronnej i warstwy ścieralnej [113]. Warstwa ochronna, poza obiektem mostowym w konstrukcji nawierzchni położonej na korpusie ziemnym, nosi nazwę warstwy wiążącej. Schemat układu warstw konstrukcyjnych nawierzchni asfaltowej na drogowych obiektach mostowych przedstawiono w Rozdziale 9.

Warstwa ochronna nawierzchni mostowej ma na celu zabezpieczenie izolacji przed uszkodzeniem podczas wykonywania górnej warstwy nawierzchni i później podczas eksploatacji.

Warstwa ścieralna nawierzchni mostowej pełni podobną rolę jak w nawierzchni na korpusie ziemnym, lecz ze względu na szczególne warunki obciążenia (szybsze zniszczenie zmęczeniowe nawierzchni na obiekcie mostowym) oraz rolę jaką pełni na obiekcie mostowym, powinna mieć strukturę szczelną i zamkniętą.

Obecnie dąży się do projektowania konstrukcji nawierzchni asfaltowych o długiej żywotności, tzw. nawierzchni Perpetual (długowiecznych). Cechą charakterystyczną nawierzchni Perpetual jest połączenie odpornej na koleinowanie, polerowanie i wpływ warunków atmosferycznych cienkiej warstwy ścieralnej z odporną na koleinowanie grubą warstwą wiążącą oraz cienką warstwą podbudowy o zwiększonej trwałości zmęczeniowej, leżącej na stabilnym podłożu (Rozdział 10).

3

Podłoże i podbudowa

Podłoże nawierzchni drogowej definiuje się jako grunt rodzimy lub nasypowy, leżący pod nawierzchnią do głębokości przemarzania, nie mniej jednak niż do głębokości, na której naprężenia pionowe od największych obciążeń użytkowych wynoszą 0,02 MPa [113].

Do celów projektowania konstrukcji nawierzchni należy podłoże gruntowe rozpatrywać pod względem rodzaju i właściwości gruntu, zalegającego do głębokości 1 m od zakładanego spodu konstrukcji nawierzchni [65]. Podłoże gruntowe powinno charakteryzować się odpowiednimi właściwościami wytrzymałościowymi, które by gwarantowały:

− odporność na obciążenia od ruchu technologicznego podczas wykonywania prac budowlanych (bez uszkodzeń w formie deformacji podłoża, niezależnie od warunków pogodowych),

− stabilność konstrukcji nawierzchni w czasie długotrwałego obciążenia ruchem (bez uszkodzeń w postaci osiadań strukturalnych),

− odporność na oddziaływanie wody i mrozu w czasie eksploatacji drogi, z uwzględnieniem zmiennych warunków zawilgocenia (bez uszkodzeń w postaci wysadzin, nadmiernych osiadań w wyniku osłabienia nośności).

W sytuacji, gdy wymagania te przez podłoża naturalne nie są spełnione, stosowane jest wzmacnianie podłoża gruntowego i wtedy podłoża te nazywane są podłożami ulepszonymi.

Według Katalogu [65] konstrukcje nawierzchni asfaltowych powinny być wykonywane na podłożu grupy nośności G1 ÷ G4, z wymaganym warunkiem spełnienia nośności na powierzchni najwyższej spośród dolnych warstw konstrukcji nawierzchni, zgodnie z tabelą 3.1. W przypadku podłoża o nośności E₂ < 25 MPa, projektowanie konstrukcji wymaga indywidualnego podejścia.

W przypadku kategorii ruchu od KR3 do KR7 przyjęto, że nośność podłoża gruntowego na poziomie spodu konstrukcji nawierzchni musi wynosić co najmniej 50 MPa. Jeżeli nośność podłoża jest mniejsza od E₂ = 50 MPa, to należy wykonać warstwę ulepszonego podłoża.

Tabela 3.1. Wymagania w zakresie nośności na powierzchni dolnych warstw konstrukcji nawierzchni w zależności od kategorii ruchu [65]

Kategoria ruchu

Wymagana nośność na powierzchni dolnych warstw konstrukcji nawierzchni

KR5–7

E₂ ≥ 120 MPa

KR3–4

E₂ ≥ 100 MPa

KR1–2

E₂ ≥ 80 MPa

Na podłożu gruntowym lub podłożu ulepszonym układane są warstwy podbudowy, których zadaniem jest przenoszenie obciążeń na podłoże. W podbudowie następuje zmniejszenie naprężeń pochodzących od nacisków kół samochodowych do wartości dopuszczalnego naprężenia, jakie może przenieść podłoże gruntowe. Stanowi ona fundament dla wyżej położonych warstw asfaltowych: ścieralnej i wiążącej. Podbudowa może być jedno lub dwuwarstwowa.

Podbudowa, zgodnie z [71], [113], powinna spełniać następujące wymagania:

− powinna być na tyle jednorodna i sztywna (wystarczająco i równomiernie zagęszczona), by nie powodowała powstawania nadmiernych odkształceń, spękań i innych uszkodzeń w wyżej położonych warstwach asfaltowych,

− powinna stanowić stopniowe przejście od słabego podłoża gruntowego do warstw: wiążącej i ścieralnej, charakteryzujących się wysokimi modułami sztywności,

− od dołu podbudowa powinna być zabezpieczona przed nadmiernym zawilgoceniem (warstwa odsączająca), przemarzaniem (warstwa mrozoochronna), przenikaniem do niej drobnych cząstek podłoża gruntowego (warstwa odcinająca),

− wymaga się, aby warstwy podbudowy były ze sobą trwale związane, zapewniając przez to korzystny rozkład naprężeń przekazywanych na podłoże,

− profil poprzeczny i podłużny podbudowy powinien odpowiadać profilowi warstwy wiążącej, co jest konieczne dla uzyskania równej nawierzchni (nie można poprawiać spadków poprzecznych i niwelety zmienną grubością warstwy wiążącej i ścieralnej),

− dobór materiałów oraz technologii wykonania podbudowy powinien uwzględniać możliwość użycia materiałów naturalnych, z recyklingu i sztucznych, z zachowaniem zasad zrównoważonego rozwoju, prowadzących do optymalizacji kosztów budowy.

Do nawierzchni asfaltowych stosuje się wiele rodzajów podbudów, które różnią się od siebie przede wszystkim pod względem materiałów, z których się je wykonuje, oraz technologii wykonania. Do asfaltowych nawierzchni drogowych stosuje się następujące rodzaje podbudów:

• Podbudowy asfaltowe:

− z betonu asfaltowego,

− z betonu asfaltowego o wysokim module sztywności,

− z mieszanki „grave emulsion”.

• Podbudowy z kruszyw niezwiązanych:

a) stabilizowanych mechanicznie:

− kruszywa naturalnego (łamane i niełamane),

− kruszywa z recyklingu,

− kruszywa sztucznego (żużel, popiół),

b) makadamowe z tłucznia kamiennego.

• Podbudowy z gruntów stabilizowanych spoiwami hydraulicznymi (stabilizacja chemiczna):

− stabilizacja gruntów cementem,

− stabilizacja gruntów wapnem,

− stabilizacja popiołami lotnymi.

• Podbudowy z mieszanek kruszyw związanych:

− cementem,

− żużlem,

− popiołem lotnym.

• Podbudowy z mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych.

• Podbudowy tradycyjne z brukowca, kostki kamiennej, tłuczniowe na podkładzie kamiennym, z prefabrykowanych elementów betonowych.

3.1. Podłoża gruntowe

W skład gruntu podłoża wchodzą cząstki mineralne tworzące szkielet, woda i substancje w niej rozpuszczone oraz powietrze. Rodzaj cząstek mineralnych oraz wzajemny stosunek poszczególnych składników gruntu decydują o jego właściwościach. Ze względu na kształt wyróżnia się:

− okrągłe ziarna (powstałe w wyniku ścierania pod wpływem działania powietrza i wody w rzekach, jeziorach, wydmach, itp.),

− kubiczne ziarna (powstałe w wyniku mechanicznego oddziaływania lodowca na skałę),

− niekształtne ziarna (powstałe w wyniku kruszenia skał).

Wg PN-EN ISO 14688-1 pod względem wielkości ziaren grunty klasyfikuje się jako:

− iły (uziarnienie ≤ 0,002 mm),

− pyły (uziarnienie > 0,002 i ≤ 0,063 mm),

− piaski (uziarnienie > 0,063 i ≤ 2 mm),

− żwiry (uziarnienie > 2 i ≤ 63 mm),

− kamienie, głazy i duże głazy (uziarnienie > 63 mm).

Grunty mogą być gruboziarniste i drobnoziarniste, sypkie i spoiste, wodo-przepuszczalne i nieprzepuszczalne, równoziarniste i różnoziarniste, zawierające ziarna łamane i niekruszone, wysadzinowe i niewysadzinowe. Do gruntów gruboziarnistych zaliczamy piaski i żwiry. Grunty spoiste charakteryzują się dużą zawartością frakcji ilasto-pylastych, w tym frakcji ilastej powyżej 10%. Zawartość frakcji ilastych powyżej 15% powoduje, że grunt nabiera własności gliny. Jeżeli grunty zawierają co najwyżej 5–10% frakcji ilasto-pylastych, są gruntami wodoprzepuszczalnymi. Uziarnienia gruntów charakteryzujące się wskaźnikiem równoziarnistości (3.1):

CU = d₆₀/d₁₀

(3.1)

gdzie:

d₆₀ i d₁₀ – średnice cząstek gruntu, odczytane z wykresu uziarnienia i oznaczające, że w danym gruncie znajduje się odpowiednio 60% i 10% ziaren o mniejszej średnicy od nich.

Grunt o wskaźniku mniejszym od 3 uważany jest za grunt o niekorzystnym kształcie krzywej uziarnienia, równomiernie uziarniony, jednofrakcyjny. Wskaźnik powyżej 15 oznacza, że grunt jest dobrze uziarniony, a o wskaźniku od 6 do 15

Tabela 3.2. Klasyfikacja gruntów ze względu na wysadzinowość [65]

Lp.

Wyszczególnienie właściwości

Grupy gruntów

Niewysadzinowe

Wątpliwe

Wysadzinowe

1.

Rodzaj gruntu wg PN-B-02480

• Rumosz niegliniasty (KR)

• Żwir (Ż)

• Pospółka (Po)

• Piasek gruby (Pr)

• Piasek średni (Ps)

• Piasek drobny (Pd)

• Żużel nierozpadowy

• Pasek pylasty (Pπ)

• Zwietrzelina gliniasta (KWg)

• Rumosz gliniasty (KRg)

• Żwir gliniasty (Żg)

• Pospółka gliniasta (Pog)

Grunty mało wysadzinowe:

• Glina piaszczysta zwięzła (Gpz)

• Glina zwięzła (Gz)

• Ił (I)

• Ił piaszczysty (Ip)

• Ił pylasty (Iπ)

Grunty bardzo wysadzinowe:

• Piasek gliniasty (Pg)

• Pył piaszczysty (πp)

• Pył (π)

• Glina piaszczysta (Gp)

• Glina (G)

• Glina pylasta (Gπ)

• Ił warwowy

2.

Zawartość cząstek wg PKN-CEN

ISO/TS 17892-4, [%]

≤ 0,063 mm

≤ 0,02 mm

< 15

< 3

od 15 do 30

od 3 do 10

> 30

> 10

3.

Wskaźnik piaskowy SE₄, wg PN-EN 933-8*, [%]

> 35

od 25 do 35

< 25

* Warunki badania przyjąć wg Załącznika A do normy PN-EN 933-8

mamy do czynienia z gruntem średnio uziarnionym. Grunt charakteryzujący się wskaźnikiem różnoziarnistości od 3 do 6 zalicza się do gruntów słabo uziarnionych, wg PN-EN ISO 14688-2.

Zawartość drobnych cząstek w gruncie i jego kapilarność, określają właściwości gruntów w odniesieniu do wysadzinowości, która klasyfikuje grunty zgodnie z tabelą 3.2.

W podłożach drogowych występują również grunty antropogeniczne powstałe w wyniku działalności człowieka. Są to między innymi grunty, w skład których wchodzą odpady przemysłowe, odpady górnicze, komunalne, występujące w postaci popiołów, żużli, itp.

Do wykonywania podłoży pod nawierzchnie drogowe stosuje się różne grunty. Przydatność tych gruntów do górnych warstw budowli ziemnych, wg PN-S-02205, przedstawiono w tabeli 3.3.

Tabela 3.3. Przydatność gruntów do górnych warstw budowli ziemnych, położonych w strefie przemarzania, wg PN-S-02205

Przeznaczenie

Przydatne

Przydatne z zastrzeżeniem

Treść zastrzeżenia

Na górne warstwy nasypów w strefie przemarzania

1. Żwiry i pospółki

2. Piaski grubo- i średnioziarniste

3. Iłołupki przywęgłowe przepalone, zawierające mniej niż 15% ziarn mniejszych od 0,063 mm

4. Wysiewki kamienne o uziarnieniu odpowiadającym pospółkom lub żwirom

1. Żwiry i pospółki gliniaste

2. Piaski pylaste i gliniaste

3. Pyły piaszczyste i pyły

4. Gliny o granicy płynności mniejszej niż 35%

5. Mieszaniny popiołowo-żużlowe z węgla kamiennego

6. Wysiewki kamienne gliniaste o zawartości frakcji iłowej > 2%

Ulepszenie gruntów spoiwami, takimi jak: cement, wapno, aktywne popioły, itp.

7. Żużle wielkopiecowe i inne metalurgiczne

Drobnoziarniste i nierozpadowe: straty masy do 1%

8. Piaski drobnoziarniste

O wskaźniku nośności wnoś ≥ 10

W wykopach i miejscach zerowych do głębokości przemarzania

Grunty niewysadzinowe

Grunty wątpliwe i wysadzinowe

Ulepszenie gruntów spoiwami (cementem, wapnem, aktywnymi popiołami, itp.)

Górną warstwę nasypu o grubości co najmniej 0,5 m zaleca się wykonywać z gruntów niespoistych i niewysadzinowych, o wskaźniku różnoziarnistości co najmniej 5 i współczynniku filtracji k₁₀ ≥ 6 ⋅ 10⁻⁵ m/s.

Do celów projektowania konstrukcji nawierzchni konieczna jest znajomość warunków gruntowo-wodnych, scharakteryzowana poprzez określenie grupy nośności podłoża gruntowego nawierzchni. Znając rodzaj gruntu podłoża i warunki wodne, zgodnie z tabelą 3.4, określa się grupę nośności podłoża od G1 do G4 (tabela 3.5).

Tabela 3.4. Klasyfikacja warunków wodnych podłoża gruntowego nawierzchni [65]

Lp.

Charakterystyka korpusu drogowego

Warunki wodne, gdy najwyższy poziom swobodnego zwierciadła wody gruntowej występuje na głębokości poniżej spodu konstrukcji nawierzchni

< 1 m

1 ÷ 2 m

> 2 m

1

2

3

4

5

6

1.

Wykopy ≤ 1 m

a

złe

przeciętne

przeciętne

b

złe

przeciętne

dobre

2.

Nasypy ≤ 1 m

a

złe

przeciętne

przeciętne

b

przeciętne

przeciętne

dobre

3.

Wykopy > 1 m

a

złe

przeciętne

przeciętne

b

złe

przeciętne

dobre

4.

Nasypy > 1 m

a

złe

przeciętne

dobre

b

przeciętne

dobre

dobre

a – pobocza nieutwardzone, b – pobocza utwardzone i szczelne oraz dobre odprowadzenie wód powierzchniowych

Tabela 3.5. Grupy nośności podłoża gruntowego nawierzchni w zależności od wysadzinowości gruntu i warunków wodnych [65]

Lp.

Rodzaj gruntu podłoża nawierzchni wg tabeli 3.2

Grupa nośności podłoża gruntowego nawierzchni, gdy warunki wodne są:

dobre

przeciętne

złe

1

2

3

4

5

1.

Grunty niewysadzinowe

G1

G1

G1

2.

Grunty wątpliwe

G2

G2

G3

3.

Grunty mało wysadzinowe¹⁾

G3

G4

G4

4.

Grunty bardzo wysadzinowe¹⁾

G4

G4

G4

¹⁾ w stanie zwartym lub twardoplastycznym (stopień plastyczności IL ≤ 0,25 lub wskaźnik konsystencji IC ≥ 0,75 wg PN-EN ISO 14688-2:2006/Ap2:2012); grunty wysadzinowe w stanie plastycznym, miękkoplastycznym lub bardzo miękkoplastycznym wykazują wartość wskaźnika CBR < 2% i wymagają indywidualnego projektowania.

W celu określenia grupy nośności podłoża należy oceniać warunki wodne do głębokości 2 m od spodu konstrukcji nawierzchni, a rodzaj i właściwości zalegającego gruntu do głębokości 1 m od spodu konstrukcji nawierzchni.

Klasyfikacja podłoża do danej grupy nośności może być przeprowadzona również wg wskaźnika nośności CBR (tabela 3.6).

Podany w tabeli 3.6 wtórny moduł odkształcenia E₂ określa się w celu kontroli nośności podłoża gruntowego, bezpośrednio po odsłonięciu podłoża w wykopach lub po uformowaniu nasypów.

Tabela 3.6. Klasyfikacja grup nośności podłoża gruntowego nawierzchni Gi [182]

Lp.

Grupa nośności podłoża gruntowego Gi

Wskaźnik nośności CBR po 4 dniach nasączania wodą¹⁾ [%]

Wtórny moduł odkształcenia E2 [MPa]

1

2

3

4

1.

G1

CBR ≥ 10

E₂ ≥ 80

2.

G2

5 ≤ CBR < 10

50 ≤ E₂ < 80

3.

G3

3 ≤ CBR < 5

35 ≤ E₂ < 50

4.

G4

2 ≤ CBR < 3

25 ≤ E₂ < 35

Uwaga: ¹⁾ warunki badania przyjąć wg normy PN-S-02205:1998

3.2. Podłoża ulepszone

Podłoża nawierzchni drogowych, określane jako słabe i niezapewniające wymaganej nośności na poziomie spodu górnych warstw konstrukcji nawierzchni (tabela 3.7), odporności konstrukcji nawierzchni na powstawanie wysadzin oraz odwodnienie wgłębne, muszą być wzmacniane przez warstwy ulepszonego podłoża.

Tabela 3.7. Wymagania w zakresie nośności na powierzchni dolnych warstw konstrukcji nawierzchni w zależności od kategorii ruchu [65]

Lp.

Kategoria ruchu

Wymagana nośność na powierzchni dolnych warstw konstrukcji nawierzchni

1

2

3

1.

KR1–KR2

E₂ ≥ 80 MPa

2.

KR3–KR4

E₂ ≥ 100 MPa

3.

KR5–KR7

E₂ ≥ 120 MPa

Rola warstwy ulepszonego podłoża jest dwojaka [65]:

− w czasie budowy drogi – bezpieczne przeniesienie obciążeń od ruchu technologicznego, bez powstania uszkodzeń na każdym etapie prac budowlanych,

− w czasie eksploatacji nawierzchni – bezpieczne przeniesienie obciążeń od ruchu pojazdów oraz ochrona nawierzchni przed negatywnymi skutkami działania wody i mrozu.

Do słabych podłoży należy zaliczyć [113], [196]:

− grunty organiczne – próchniczne, mineralno-organiczne, namuły, torfy,

− grunty antropogeniczne – hałdy górnicze, nasypy, popioły i żużle, odpady bytowe, rolnicze i budowlane,

− grunty zapadowe – lessy,

− grunty podlegające zmianom pod wpływem filtracji wody,

− grunty podatne na upłynnienie – słabo zagęszczone, nawodnione grunty piaszczyste,

− grunty pęczniejące – grunty o granicy płynności > 50%,

− podłoża krasowe – formy krasowe w gipsach i wapieniach,

− tereny deformacji górniczych – tereny eksploatacji podziemnej.

Do najbardziej znanych i najczęściej stosowanych technologii ulepszenia podłoża należą [196]:

− dogęszczenie, doziarnienie lub konsolidacja celem zmniejszenia zawartości wolnych przestrzeni w szkielecie gruntu,

− wymiana gruntów słabego podłoża na warstwy gruntu lub materiału niewysadzinowego (naturalnych lub antropogenicznych, materiałów z recyklingu),

− stabilizacja gruntów spoistych spoiwami hydraulicznymi lub/i wapnem w celu osuszenia gruntów nadmiernie wilgotnych, zmniejszenia wrażliwości na działanie czynników klimatycznych oraz zwiększenie ich nośności,

− stabilizacja chemiczna gruntów niespoistych celem zmniejszenia ich odkształcalności,

− separacja warstw gruntu i kruszywa warstwami odcinającymi w przypadku niespełnienia warunku szczelności.

Warstwa ulepszonego podłoża może spełniać rolę warstwy odsączającej. W tym przypadku musi być wykonana z materiałów niezwiązanych, spełniających podwyższone wymagania dotyczące wodoprzepuszczalności oraz uziarnienia (współczynnik filtracji k₁₀ co najmniej 0,93 m/s).

3.3. Podbudowy

Podbudowa w nawierzchni asfaltowej może być wykonana jako jednowarstwowa, a najczęściej jako dwuwarstwowa. Według Katalogu [65] górna warstwa podbudowy, zwana podbudową zasadniczą, zaliczana jest do górnych warstw konstrukcji nawierzchni, a dolna warstwa podbudowy – do dolnych warstw konstrukcji nawierzchni.

Zgodnie z Katalogiem, podbudowa zasadnicza konstrukcji nawierzchni wszystkich kategorii ruchu może być wykonana z betonu asfaltowego, mieszanki niezwiązanej i mieszanki związanej spoiwem hydraulicznym. Ponadto podbudowa zasadnicza konstrukcji nawierzchni może być wykonana w technologii recyklingu na zimno z mieszanki mineralno-cementowo-emulsyjnej lub mieszanki mineralnej z asfaltem spienionym (kategoria ruchu KR1-KR4) oraz z gruntu stabilizowanego spoiwem hydraulicznym (kategoria ruchu KR1-KR2). Do wykonania podbudowy pomocniczej mogą być użyte mieszanki niezwiązane, mieszanki związane spoiwami hydraulicznymi i grunty stabilizowane spoiwami hydraulicznymi.

W opracowaniu przedstawiono najczęściej stosowane rodzaje podbudów nawierzchni drogowych, tj.: z betonu asfaltowego, z betonu asfaltowego o wysokim module sztywności, z mieszanki niezwiązanej, z mieszanki związanej spoiwem hydraulicznym, z mieszanki mineralno-cementowo-emulsyjnej oraz z gruntu stabilizowanego cementem. Dwa pierwsze rodzaje podbudów z mieszanek mineralno-asfaltowych omówiono w rozdziale 5, pozostałe jej rodzaje scharakteryzowano w rozdziale 3.

3.3.1. Podbudowa z mieszanki niezwiązanej

Mieszanka niezwiązana jest to ziarnisty materiał o odpowiednio dobranym składzie ziarnowym, który jest stosowany do wykonania podbudowy zasadniczej, podbudowy pomocniczej, ulepszonego podłoża gruntowego oraz warstwy mrozoochronnej. Mieszanka niezwiązana, wg PN-EN 13285, może być wytworzona z kruszyw naturalnych, sztucznych, z recyklingu lub z mieszaniny tych kruszyw w określonych proporcjach [94].

Tabela 3.8. Zakres stosowania i wymagania dotyczące mieszanek niezwiązanych do warstw konstrukcji nawierzchni i warstwy ulepszonego podłoża [65]

Lp.

Właściwości

Wymagania wobec mieszanek niezwiązanych do zastosowania w warstwie

Podbudowa zasadnicza

Podbudowa pomocnicza

Warstwa mrozoochronna

Warstwa ulepszonego podłoża

KR1–KR2

KR3–KR4

KR5–KR7

KR1–KR2

KR3–KR7

KR1–KR2

KR3–KR7

KR1–KR7

1.

Uziarnienie

0/31,5; 0/45; 0/63

Warstwa podbudowy pomocniczej nie występuje w rozwiązaniach zaproponowanych w Katalogu dla kategorii ruchu KR1–KR2

0/31,5; 0/45; 0/63

od 0/8 do 0/63

od 0/8 do 0/63

2.

Zawartość ziaren przekruszonych lub łamanych

C90/3 C50/30 CNR

C90/3 C50/30

C90/3 C50/30

CNR

CNR

CNR

3.

Maksymalna zawartość pyłów w warstwie:

w typowych zastosowaniach

UF₉

UF₁₂

UF₁₅

UF₁₅

gdy pełni rolę warstwy odsączającej

Nie dotyczy

Nie dotyczy

UF₆

UF₆

4.

Mrozoodporność

F₄

F₇

F₁₀

F₁₀

5

Wskaźnik CBR, co najmniej %

60

80

60

25

35

20

6.

Współczynnik filtracji k₁₀ warstwy co najmniej:

w typowych zastosowaniach

Nie dotyczy

Nie dotyczy

Brak wymagań

Brak wymagań

gdy pełni rolę warstwy odsączającej

Nie dotyczy

Nie dotyczy

0,0093 cm/s

(8 m/dobę)

0,0093 cm/s

(8 m/dobę)

Mieszanka niezwiązana, często nazywana stabilizacją mechaniczną, charakteryzuje się harmonijną krzywą uziarnienia, a warstwa podbudowy, wykonana z tej mieszanki, po zagęszczeniu minimum wolnych przestrzeni. W wyniku zastosowania tej technologii otrzymuje się ustabilizowanie właściwości fizykomechanicznych zagęszczonej mieszanki kruszywa w sposób trwały, niezależnie od pory roku, oddziaływań ruchu i wpływu warunków atmosferycznych. Odpowiednią wytrzymałość i odporność na obciążenia warstwa stabilizowana uzyskuje dzięki tarciu wewnętrznemu kruszywa i siłom spójności cząstek pylasto-ilastych, które w mieszance spełniają podobną rolę jak lepiszcze asfaltowe w warstwie nawierzchni asfaltowej.

Mieszanki niezwiązane stosuje się do budowy konstrukcji nawierzchni drogowych i warstw ulepszonego podłoża, służących do przenoszenia obciążeń od ruchu KR1 do KR7. Wymagania wobec mieszanek niezwiązanych, wg Katalogu [65], przedstawiono w tabeli 3.8.

W przypadku obciążenia od ruchu KR1-KR2, podbudowa z mieszanki niezwiązanej może stanowić nawierzchnię twardą nieulepszoną.

Podbudowa z kruszywa stabilizowanego mechanicznie powinna charakteryzować się właściwościami podanymi w tabeli 3.9.

Tabela 3.9. Wymagane cechy podbudowy z kruszywa stabilizowanego mechanicznie wg PN-S-06102:1997

Podbudowa z kruszywa o wskaźniku nośności CBR wg PN-EN 13286-47 (dawniej wnoś), nie mniejszym niż, [%]

Wskaźnik zagęszczenia Is nie mniejszy niż

Maksymalne ugięcie sprężyste pod kołem, [mm]

Minimalny moduł odkształcenia mierzony płytą o średnicy 30 cm, [MPa]

40 kN

50 kN

od pierwszego obciążenia E₁

od drugiego obciążenia E₂

60

80

120

1,0

1,0

1,03

1,40

1,25

1,10

1,60

1,40

1,20

60

80

100

120

140

180

Wskaźnik zagęszczenia podbudowy powinien odpowiadać przyjętemu poziomowi kalifornijskiego wskaźnika nośności CBR/natychmiastowego wskaźnika nośności IPI (dawniej wnoś) podbudowy, wyznaczonego w procentach wg wzoru (3.2):

CBR = p/pp · 100%

(3.2)

gdzie:

p – ciśnienie, jakie jest potrzebne, aby zagłębić trzpień o przekroju 20 cm² w próbkę kruszywa podbudowy na głębokość 2,5 mm lub 5,0 mm,

pp – ciśnienie porównawcze, które przy wgłębieniu trzpienia na 2,5 mm wynosi 13,2 kN (7 MN/m²), a przy wgłębieniu na 5,0 mm wynosi 20 kN (10 MN/m²).