W celu ochrony nawierzchni drogi przed skutkami powstawania wysadzin w gruncie zakłada się, że istnieje pewna minimalna grubość konstrukcji niezbędna do tego aby ochronić grunt przed zamarzaniem. W Polsce aktualnie stosuje się współczynniki przeliczeniowe podane w Katalogu Typowych Konstrukcji zarówno Podatnych i Półsztywnych oraz Sztywnych. Taki stan rzeczy obowiązuje w naszym drogownictwie od blisko 80 lat. A różna izolacyjność termiczna warstw drogowych wynikająca ze stosowania różnych materiałów?
Wpływ klimatu na konstrukcję nawierzchni
Konstrukcje drogowe są narażone na szereg czynników wpływających na ich degradację. Poza główną składową jaką jest obciążenie ruchem pojazdów, nawierzchnie dróg wystawione są na ciągłe działanie warunków klimatycznych, które w czasie ulegając dynamicznym zmianom. Przy projektowaniu konstrukcji, poza obciążeniem, zazwyczaj mamy na uwadze dwie dodatkowe rzeczy: wodę oraz temperaturę. Te dwie składowe mają ogromne znaczenie dla nośności konstrukcji w czasie, zarówno z uwagi wpływu samej wody na grunty spoiste, ale również z powodu zjawiska tak zwanych wysadzin.
Ponieważ w Polsce temperatury mogą sięgać nawet minus 30 stopni, nieunikniona jest penetracja mrozu wgłąb nawierzchni i często podłoża. Proces ten, w przypadku gruntów zawierających drobne frakcje, może skutkować powstawaniem soczewek lodu w podłożu, które nazywamy wysadzinami. W okresie wiosennym, gdy temperatury zaczynają wzrastać, następuje proces rozmrażania tych soczewek lodu, co skutkuje wysokim nawilgoceniem gruntów i znacznym obniżeniem ich nośności.
Negatywne działanie wysadzin na nawierzchnię drogi
Wysadziny powstają w gruncie na skutek rozrostu soczewek lodu, które mają możliwość powiększania się dzięki zjawisku podciągania kapilarnego w gruntach. Podciąganie kapilarne polega na migracji wody w gruncie ze strefy gdzie nie jest ona zamrożona do strefy przemarzania. Taki ruch wody jest możliwy nawet na wysokości kilku lub kilkunastu metrów. Gdy woda osiągnie poziom strefy przemarzania, zaczyna zamieniać się w lód jednocześnie zwiększając swoją objętość. Tak powstałe soczewki mogą rosnąć do znacznych rozmiarów, co jest uzależnione od rodzaju gruntu, warunków wodnych oraz czasu działania ujemnych temperatur.
Charakterystyczną cechą przy powstawaniu wysadzin jest podnoszenie się materiału gruntowego (lub konstrukcji) znajdującego się bezpośrednio nad nim. Poziom takie wzniosu może wynosić nawet kilkadziesiąt centymetrów, co powoduje, że przy ich opadaniu na nawierzchni drogowej zaczynają się pojawiać przełomy. Okres pojawiania się tych zjawisk w Polsce przypada zazwyczaj na na okolice marca oraz kwietnia.
Takie okresowe zmiany nośności podłoża skutkują również znacznymi wahaniami ugięć nawierzchni, a zmiana ich wartości w ciągu roku może sięgać nawet do dwóch i pół raza różnicy. Oznacza to, że w okresie wiosennym konstrukcja nawierzchni jest w znacznym stopniu narażona na degradację spowodowaną efektem wysadzin, ponieważ jej trwałość zmęczeniowa maleje. W związku z tym możemy zauważyć jak ważne jest zabezpieczenie gruntu przed zamarzaniem poprzez dobranie odpowiedniej konstrukcji oraz rozwiązań technologicznych.
Metody ochrony podłoża drogi przed mrozem
Najpopularniejszą metodą ochrony gruntu pod nawierzchnią przed mrozem jest wbudowanie konstrukcji drogi o odpowiedniej grubości. Metoda ta stosowana jest między innymi w Polsce. Projektowanie jednak konstrukcji o tej samej lub większej grubości niż głębokość przemarzania było by jednak ekonomicznie nieuzasadnione. Stosuje się zatem współczynniki korygujące grubość nawierzchnie ze względu na ochronę przed wysadzinami zależne od stopnia obciążenia drogi ruchem oraz warunków gruntowo-wodnych. Oznacza to, że dopuszcza się możliwość zamarzania gruntu pod nawierzchnią, szczególnie w przypadku dróg mniej obciążonych. Nie jest to najlepsza wiadomość, w szczególności dla dróg gminnych i powiatowych.
Pośrednia metodą ochrony konstrukcji przed niszczącym działaniem rozpuszczających się soczewek wysadzin w okresie roztopów jest wprowadzenie ograniczeń ruchowych pojazdów ciężkich. Ograniczenia takiej stosuje się na przykład w Szwecji ze względu na surowy klimat i znaczy wpływ wysadzin na nawierzchnie. Jest to jednak rozwiązanie problematyczne i ograniczające swobodę transportową.
Rozwiązaniem problemu ochrony podłoża przed mrozem może być zastosowanie materiałów konstrukcji nawierzchni drogi spełniających jednocześnie rolę izolatorów termicznych.
Izolacyjność termiczna warstw
Każda warstwa drogi jest zbudowana z innego materiału, a każdy materiał inaczej przewodzi ciepło. Podstawową parametrem materiałowym, który decyduje ilości przewodzonego ciepła, jest współczynnik przewodności cieplnej λ (lambda). Im ta wartość jest niższa, tym lepsze właściwości izolacyjne posiada materiał, a na tym nam zależy w przypadku warstw konstrukcji drogi. Osiągnięcie niskiego współczynnika lambda może być osiągnięte w dwojaki sposób: wprowadzenie nowego materiału o niskim współczynniku przewodzenia ciepła (jak np. keramzyt) lub zmodyfikowanie istniejącego materiału tak aby stał się lepszym izolatorem.
Czynniki materiałowe
W przypadku warstw konstrukcji nawierzchni na ich wartość współczynnika przenikania ciepła głównie ma wpływ:
- rodzaj materiału z którego zbudowana jest warstwa (np. kruszywo, MMA, grunty),
- zagęszczenie materiału z uwagi na zawartość pustych przestrzeni,
- powierzchnia kontaktu ziaren,
- uziarnienie,
- wilgotność materiału.
Modyfikacja powyższych parametrów pozwala na zmianę współczynnika przenikania ciepła. Dobrym przykładem takiego zabiegu jest stabilizacja hydrofobowa, która na stałe zapewnia brak dostępu wody do warstwy a co za tym idzie zmienia jej izolacyjność termiczną.
Współczynniki korygujące
Przy sprawdzaniu czy dana konstrukcja spełnia warunek odporności na wysadziny sprawdzamy czy jej całkowita grubość jest nie mniejsza niż głębokość przemarzania gruntu w danym rejonie, pomniejszona o współczynniki przeliczeniowe podane w katalogach typowych konstrukcji. Takie podejście sprawdza się w przypadku typowych materiałów zawartych w katalogach, ale jeżeli stosujemy w konstrukcji izolatory termiczne, które w znacznym stopniu spowalniają przenikanie mrozu w głąb nawierzchni, powinniśmy zastosować indywidualne podejście do tego typu obliczeń.
Warto też pamiętać, że współczynniki przeliczeniowe pomniejszające wymaganą grubość konstrukcji ze względu na ochronę przed wysadzinami, są tym niższe im niższa jest kategoria ruchu. Podejście takie ma uzasadnienie ekonomiczne, ale z punktu widzenia przenikania mrozu, nie ma znaczenia czy dana droga będzie obciążona ruchem KR2 czy KR5. Oznacza to, że im niższa kategoria ruchu tym wyższe jest ryzyko zniszczenia takiej drogi przez wysadziny. Logicznym więc jest szukanie optymalnych rozwiązań, które to ryzyko pomniejszą bez nadmiernego zwiększania kosztów konstrukcji.
Opór cieplny konstrukcji
Zagadnienie przenikania ciepła przez warstwy drogi jest skomplikowane i zależne od wielu czynników. Przybliżonym sposobem pokazania jak zastosowanie różnego typu materiałów wpływa na izolacyjność konstrukcji jest pokazanie jej oporu cieplnego. Sposób ten zakłada, że konstrukcja drogi jest swego rodzaju przegrodą, składającą się z warstw wykonanych z materiałów o odmiennych współczynnikach przenikania ciepła. Na bazie tego współczynnika oraz grubości warstwy jesteśmy w stanie obliczyć opór cieplny całej konstrukcji.
Aby osiągnąć jak najwyższy opór musimy stosować warstwy będące izolatorami. Niestety typowe materiały, które są nam znane jako izolatory jak na przykład styropian, czy wełna mineralna nie mogą zostać zastosowane w drodze z jednej prostej przyczyny: nie posiadają wystarczających zdolności przenoszenia obciążenia, co jest kluczowe w konstrukcji nawierzchni. Na szczęście istnieją rozwiązania, które spełniają obie funkcje jak na przykład stabilizacje hydrofobowe, czy materace keramzytowe.
Stabilizacja hydrofobowa
W przypadku zastosowania stabilizacji hydrofobowej jako metody poprawy oporu cieplnego koncepcja jest prosta - brak wody w materiale przekłada się na zmianę izolacyjności termicznej materiału. Ma to szczególne znaczenie dla materiałów, które są narażone na nasycenie wodą, a następnie jej zamrożenie w skutek przenikania mrozu w głąb konstrukcji. Zastosowanie stabilizacji hydrofobowej w konstrukcji pozwala zwiększyć izolacyjność konstrukcji, przy jednoczesnym wykorzystaniu gruntu w miejscu budowy i zachowaniu optymalnych kosztów całej nawierzchni.
Materace keramzytowe
Keramzyt jest materiałem o dużej porowatości i z uwagi na obecność pustek powietrznych posiada dobre właściwości izolacyjne jako warstwa. Keramzyt posiada postać granulatu i jest wbudowywane podobnie jak materiały z mieszanek niezwiązanych. Stosuje się go przeważnie w niższych warstwach konstrukcji lub przy budowie nasypów.
Pianobeton
Pianobeton stosowany jest głównie w budownictwie kubaturowym, w szczególności wielkogabarytowym, jednak może on też być stosowany jako warstwa izolacyjna w drodze. Pianobeton powstaje poprzez dodanie do zaprawy cementowej piany technicznej. W efekcie otrzymujemy znaczne napowietrzenie powstałej mieszanki, a jak wiadomo powietrze jest znakomitym izolatorem. Powstały materiał posiada również odpowiednią wytrzymałość oraz odporność na wodę i mróz. Minusem, szczególnie w przypadku konstrukcji nawierzchni, jest jego wysoka cena.
