Údržba a poruchy netuhých vozovek Do údržby vozovek se ročně investují nemalé finanční prostředky, které je zapotřebí hospodárně využívat. Dříve byla Česká republika byla rozdělena do 52 okresů, v každém okresním městě sídlila Správa a údržba silnic (SÚS), která měla na starosti silniční síť v daném okrese. Po reorganizaci a zavedení vyšších územně správních celků byly zřízeny Krajské správ údržby silnic (KSÚS), původní okresní správy jsou jim podřízené. Finanční prostředky od státu jsou buď účelově vázané (většinou na údržbu a opravy silnic I.třídy) a fin. prostředky, které je možné využít na údržbu a opravu silnic dle vlastní znalosti stavu a potřeb sítě. SÚS provádí údržbu buďto sama nebo vypisuje na jednotlivé práce výběrová řízení. Pro správné rozhodování o údržbě nebo opravě vozovek je zapotřebí mít informace o stavu silniční sítě a rozsahu jejího porušení. Proto se provádí na silniční síti pravidelně sběr poruch buď ručně do formulářů nebo do přenosového počítače v tzv. ”plovoucím vozidle” vizuální prohlídkou, kde řidič jedoucí pomalou rychlostí hlásí výskyt jednotlivých poruch na vozovce a spolujezdec provádí jejich záznam do počítače se staničením. Sběr poruch je možné provádět též speciálními zařízeními, jako je např. ARAN prostřednictvím laserových kamer. Sběr poruch tak tvoří základ pro automatizovaný systém sloužící k návrhu údržby a oprav vozovek - tzv. Pavement Management System – nebo-li Systém hospodaření s vozovkou (SHV).
Systém hospodaření s vozovkou - SHV SHV je systém sloužící k optimálnímu využití finančních prostředků poskytovaných na údržbu a opravu silniční sítě. Základem systému je výše popsaný sběr poruch a jejich sumarizace do tzv. homogenních úseků, t.j. úseků, pro které se navrhne stejná technologie údržby nebo opravy, přičemž se vybírá z různých alternativních technologií údržby s ohledem na jejich cenu a životnost. Výběr technologie pro daný úsek je prováděn v širších souvislostech s ohledem na celkový stav posuzované silniční sítě a celkové množství finančních prostředků tak, aby bylo provedeno jejich co možná nejefektivnější využití. Výpočtový program je schopen zohlednit míru investic v několika následných letech, kvalitativní a kvantitativní vývoj poruch a navrhnout různé varianty řešení podle požadavků zadavatele.
Sběr poruch Kvalitativní rozdělení poruch je otázkou míry zasažené tloušťky vrstev vozovky.
Obr. 1 Vývoj poruch
1
V podstatě existují lokální nebo souvislé poruchy povrchu vozovky nebo její konstrukce. Vývoj poruch a jejich oprava lze popsat následovně : 1. 2. 3. 4.
porucha povrchu + ojedinělý výskyt dtto + souvislý výskyt porucha konstrukce + ojedinělý výskyt porucha konstrukce + souvislý výskyt
⇒ běžná údržba ⇒ souvislá údržba ⇒ lokální oprava ⇒ souvislá oprava
porucha konstrukční kvalita LOKÁLNÍ
SOUVISLÁ OPRAVA
OPRAVA
nebo REKONSTRUKCE 3
4
porucha
kvantita
ojedinělá
porucha souvislá
1
2
BĚŽNÁ
SOUVISLÁ
ÚDRŽBA
ÚDRŽBA
porucha povrchu Obr. 2 Kvalitativní a kvantitativní vývoj poruch a způsob jejich odstranění V uvedeném schématu je čísly vyznačen obvyklý vývoj poruch a jejich odstraňování. Hranice mezi porušením povrchu a konstrukce vozovky je dána hloubkou porušení obrusné vrstvy. Porušení povrchu je max. do 15 mm (do 7 mm je možné odstranit porušení nátěrovou technologií nebo EKZ). Větší hloubku je možné odstranit buď mikrokobercem nebo asfaltovým betonem pro velmi tenké vrstvy ACVT v tloušťce do 30 mm. Do max. tloušťky 30 mm hovoříme o údržbě, při větších tloušťkách hovoříme již o opravě. Pro méně zatížené silnice II. a III. třídy lze rozdělit posouzení nákladů na údržbu a opravu na úseky provedené souvisle nebo na omezených plochách, případně též s uvážením jejich životností. Tímto postupem bude vycházet údržba a oprava na omezených plochách do 30 50 % výhodnější. U více zatížených silnic vystupují do popředí vyšší náklady při častěji prováděné údržbě. Dává se proto přednost souvislé údržbě a opravě. Lokální údržba a oprava se uplatní v 15 % porušených ploch. Pro správnou identifikaci poruch existuje katalog poruch netuhých vozovek - TP82, kde jsou uvedeny jednotlivé poruchy, příčina jejich vzniku a způsob jejich opravy.
2
Obr. 3 Ukázka katalogového listu – bude doplněno
Mechanismy porušování Každá hmota podléhá účinkem klimatického prostředí a zatížením provozem poškozování a porušování. Tomuto jevu nelze zcela zabránit. Je však možné tomuto jevu předejít výběrem vhodných materiálů a použitím správných technologií. - Ztráta drsnosti •
ztráta smykového tření na styku pneumatika - povrch vozovky.
Čím více jsou oba povrchy tvarované a čím je více povrch vozovky pevný - tím větší je tření je možné očekávat. Rozlišuje se: •
Ztráta makrotextury (uzavření povrchu do jednolité plochy bez vystupujících zrn kameniva – pocení obrusné vrstvy – na povrch vystupuje asfaltové pojivo buď z důvodu chybné receptury, nebo předávkováni pojiva na obalovně)
•
Ztráta mikrotextury (vyhlazení povrchu jednotlivých zrn kameniva vlivem dotyku s pneumatikami – pro návrh asfaltové směsi bylo použito nevhodného kameniva – např. vápence)
Ztráta makrotextury ovlivňuje tření při vysokých rychlostech, ztráta mikrotextury do 60 km/h.
- Trvalé deformace krytu Asfaltem stmelené krytové vrstvy mají vlastnosti pojiva, které se při nízkých teplotách nebo vysokých rychlostech chová jako pevná a křehká hmota, při vyšších teplotách a nízkých rychlostech nebo stání vozidel jako hustá kapalina. K vývoji trvalé deformace je třeba kromě vysoké teploty a pomalé rychlosti nebo stání • zatížení soustředěné do jízdních stop, • velký počet opakovaných zatížení. Podle druhu zatížení dochází k: • prohlubním v místě stání vozidel (autobusová zastávka), • opakovaným prohlubním v podélném směru před řízenými křižovatkami (roleta) na celou šířku jízdního pruhu, • vyjetým kolejím ve stopách nákladních vozidel, • nepravidelné nerovnosti při působení vodorovných sil při brzdění, rozjíždění nebo ve směrových obloucích, • náhodné nerovnosti ve volné trase kolísavým složením směsi nebo spojení vrstev krytu vozovky. - Ztráta hmoty z krytu Spojení zrn kameniva je účinkem zatížení, působením vody, stárnutím asfaltu a drobením kameniva narušováno. Hmoty obrusné vrstvy postupně ubývá. Nejjednodušší způsob ztráty hmoty je např. uvolnění drti z nátěru s vlivem na drsnost povrchu vozovky, olupování tenké vrstvy emulzního kalového zákrytu a rozpad zrna (měkkého, zvětralého nebo porušeného) se vznikem kaverny.
3
U krytů z asfaltových směsí se nejprve uvolňuje asfaltový tmel - (směs asfaltu a kameniva do 2 mm), zvláště obsahuje-li málo pojiva a je tudíž drobivý. Ubýváním tmele se obnažují hrubá zrna kameniva a nejsou-li již do směsi zaklíněna, vylamují se. Pokud se tento proces ponechá svému vývoji, vzniká další uvolňování zrn a ubývání vrstvy tak, až je odstraněna obrusná vrstva celá a proces pokračuje i do dalších vrstev krytu, případně podkladu, neboť tyto vrstvy jsou méně odolné než obrusné vrstvy. Proces porušení asfaltových směsí ztrátou hmoty se zatřiďuje do těchto stadií: • ztráta tmele (vypírání povrchu, povrchová koroze), • vylamování hrubého kameniva (hloubková koroze), • výtluk v obrusné vrstvě, • výtluk v krytu. - Trhliny 1. Mrazové trhliny Netuhá vozovka vykazuje za normálních podmínek viskoelastické vlastnosti, tj. kromě pružného chování má schopnost „pomalu téci“. Díky této vlastnosti se netuhá (asfaltová) vozovka obejde bez dilatačních spár. Problém nastává při dlouhotrvajících extrémních mrazech, kdy asfaltové pojivo „tuhne“ a tím asfaltová směs ztrácí své poddajné vlastnosti a praská – vznikají mrazové trhliny. Ve světě bylo provedeno mnoho různých pozorování a výzkumů tvorby mrazových trhlin (např. Ontarijský model prof. Haase nebo práce Mc.Leoda) založených na dlouhodobém pozorování stovek úseků vozovek v různých klimatických oblastech. Tyto informace jsou k dispozici v APT (Asphalt Pavement Technology) – zejména články a diskuse Mc.Leoda, např. tzv. Pen-Vis-Number (Penetračně viskozní číslo), které má značnou vypovídací schopnost o teplotní citlivosti nebo tzv. Bitumen Test Data Chart (Heukelom). Celá problematika byla v roce 1987 znovu zařazena do projektu Strategic Highway Research Program (SHRP) v USA a zjištěné výsledky v podstatě potvrdily dřívější poznatky. Z těchto prací, jednoznačně vyplývá, že tvorbu nízkoteplotních příčných trhlin ovlivňují tyto faktory: Index mrazu gradace asfaltového pojiva tloušťka asfaltových vrstev Ovlivnitelným faktorem, který má rozhodující vliv je gradace asfaltového pojiva. Na základě těchto výzkumů je v našich klimatickým podmínkách (při porovnání s obdobnými v USA) s výjimkou horských oblastí optimální používat asfalty penetrace 70/100 (pokud nejsou modifikované). Samozřejmě, že zvyšování gradace asfaltu nepříznivě ovlivňuje tvorbu trvalých deformací (vyjeté koleje). Proto volba vhodné gradace je vždy kompromisem mezi rizikem tvorby kolejí v letním období a rizikem vzniku mrazových trhlin v zimě. Podstatnou pozitivní změnu přineslo používání modifikovaných asfaltů. Čím se modifikovaný asfalt liší od obyčejného ? Kromě jiných příznivých vlastností (lepší přilnavost, pomalejší stárnutí, lepší únavové vlastnosti) je ještě jedna vlastnost, která je rozhodující a to je jeho teplotní citlivost.
4
Celá problematika je názorná z následujícího obrázku: LOG η
LOGpen běžný asfalt PI = 0
modifik. asfalt
PI = − 1,5 25
25
LOG T (°C)
LOG T (°C)
PI = penetrační index PI = 0 znamená nižší teplotní citlivost PI = − 1 znamená vyšší teplotní citlivost Obr. 3 - Teplotní citlivost asfaltu
Modifikovaný asfalt má menší teplotní citlivost, je tedy při vysokých teplotách “tvrdší“ a při nízkých teplotách “měkčí“ než asfalt obyčejný. Proto modifikovaný asfalt nižší gradace zvyšuje odolnost proti tvorbě trvalých deformací a zároveň v zimě směs „nepraská“. Při velmi nízkých teplotách dochází ke smršťování asfaltové směsi stejně jako u jiných látek. Pokud teploty poklesnou pod -20 oC nebo pokles teploty povrchu je rychlý, pak se na povrchu vytvoří příčná smršťovací trhlinka, která oslabí asfaltové vrstvy. Tato trhlinka opakovanými poklesy teploty roste do hloubky obrusné vrstvy. Jakmile trhlina dosáhne vzájemného spojení s ložní nebo podkladní vrstvou vozovky, naruší spojení vrstev. Vývoj porušení příčnou trhlinou je rozdělen do následujících stadií: • úzká trhlina nepostihující celou šířku vozovky, • úzká trhlina přes celou šířku vozovky, • větvení trhliny nebo vytváření přidružených trhlinek, • prohlubování a vznik široké trhliny s olamováním hran a případně vývojem přidružených trhlin. Vývoj trhlin je níže schematicky znázorněn:
Obr. 4 Postupný vývoj mrazových trhlin
5
2. Reflexní trhliny Při výstavbě cementem zpevněných nebo stabilizovaných podkladů, stejně jako u betonu, dochází při tvrdnutí vrstvy ke smršťování, které vyvolá ve vrstvě tahová napětí vyšší než je pevnost materiálu vrstvy, což způsobí vznik příčných trhlin přes celou šířku vrstvy. Čím vyšší je pevnost betonu nebo zpevněného stabilizovaného podkladu, tím menší je vzdálenost mezi trhlinami. Vzdálenost se pohybuje mezi 3 až 30 m. Po vzniku smršťovacích trhlin dochází k jejich rozevírání a uzavírání v závislosti na teplotě vrstvy. Pokud je vrstva překryta asfaltovými vrstvami, spojením vrstev tohoto podkladu se pohyby teplotní roztažnosti přenáší do asfaltových vrstev a trhlina začne prorůstat až na povrch vozovky. Rozšiřování a uzavírání trhlin pokračuje, trhlinami proniká voda a trhliny jsou vyplňovány pískem a nečistotami. Těmito vlivy dochází k těmto stadiím trhlin: • úzká trhlina, • široká trhlina • odlamování hran trhlin, • narušování spojení mezi asfaltovými vrstvami a vznik podružných trhlin jako trhlin mozaikových, • vytváření hrbolu při vyplněných trhlinách a teplotních pohybech vrstev. Tato porušení jsou schematicky níže znázorněna:
Obr. 5 Postupný vývoj reflexních trhlin 3. Mozaikové trhliny Pokud nejsou asfaltové vrstvy vzájemně spojeny (další vrstva byla kladena na vlhký, mokrý a znečištěný povrch nebo nebyl proveden spojovací postřik apod.), dochází při jejich zatížení k namáhání mnohem většímu než při jejich spojení (je na místě přirovnání zatížení plného dřevěného trámu a stejného profilu složeného z volně položených nespojených prken). Při opakovaném zatěžování nespojených vrstev, zejména vrstvy obrusné, tak dochází v nejvíce namáhaném průřezu a v bodě jakéhokoliv oslabení vrstvy (porušené kamenivo, velké kamenivo, mezerovitost ve směsi a pod.) k narušení spojení mezi vzájemně dotýkajícími se zrny směsi. Toto narušení dá podnět k vývoji trhliny, která prorůstá směsí na povrch vozovky. Trhlina se počne šířit souběžně se směrem pohybu vozidel, prodlužuje se a větví, jak sleduje všechna náhodná oslabení vrstvy. Trhliny se spojují zahušťují a vznikají mozaikové trhliny jako síť trhlin o vzájemných vzdálenostech odpovídajících až přibližně tloušťce nespojené vrstvy. Vývoj mozaikových trhlin lze rozdělit do stadií: • vznik krátké, sotva patrné trhlinky, • nepravidelná podélná úzká trhlina uvnitř, častěji vně stopy těžkých nákladních vozidel, • větvení trhliny do stop vozidel i mimo stopu, vznikají rozvětvené trhliny,
6
• spojování trhlinek v síť trhlin, • zvětšování a zahušťování sítě trhlin, • vylamování částí vrstvy mezi trhlinami a vznik výtluků. Nepravidelnými a mozaikovými trhlinami proniká do spojení vrstev voda, která vlivem zatížení je pod tlakem rychle vytlačena (části narušené vrstvy "pumpují") a eroduje vrstvy. Trhliny se tak rozšiřují a vrstva se při hranách snižuje. Tento jev napomáhá vytváření výtluků. 4. Trhliny v konstrukci vozovky Opakovaným zatěžováním v místě nejvyššího namáhání (pod středem zatížení) na spodním líci asfaltových vrstev dojde v důsledku poddimenzování konstrukce vozovky nebo v důsledku snížené únosnosti podloží ke vzniku narušení spojení mezi zrny a zárodku trhliny. Trhlina se šíří na povrch vozovky a do délky. Dosáhne-li povrchu vozovky, vozovkou se dostane voda do podloží, jehož únosnost se zvýšeným obsahem vody a rozbřídáním dále ještě více sníží. Dochází ke zvýšenému namáhání trhlinou oslabeného průřezu a zvýšenému namáhání podloží. Trhliny se šíří, spojují v síť, méně hustou než u mozaikových trhlin (síť odpovídá vyšší tloušťce vrstev), ale hlavně dochází k zatlačování vozovky do podloží, vyvíjí se trvalá deformace vozovky. Trhliny v konstrukci mají postupně tento vývoj: • podélná trhlina ve stopě vozidel, • trhlina se rozšiřuje, prodlužuje a větví, • síťové trhliny, • podélný hrbol, • prolomení vozovky. 5. Jiné trhliny Jiné, méně časté trhliny: • trhliny obrusné vrstvy ve tvaru srpu vzniklé posunem nespojené obrusné vrstvy vodorovným zatížením (brzděním, rozjížděním vozidel), • smykové trhliny lemující poruchy zemního tělesa usmyknutím, poklesem, propadem a pod. • podélné trhliny mrazovým zdvihem středu vozovky (pokud na krajích vozovky leží sníh). - Deformace vozovky Tyto deformace mohou vzniknout následkem: • dohutnění vrstev vozovky, podloží a zemního tělesa, • porušení stability zemního tělesa (např. usmyknutím), • namáhání podloží opakovanými přejezdy vozidel (část stlačení podloží při každém přejezdu vozidla zůstane jako trvalá deformace), • ztráty únosnosti vozovky způsobená pronikáním vody do podloží propustným krytem (štěrkový, dlážděný, penetrační makadam) nebo asfaltovými vrstvami porušenými trhlinami, špatným nebo porušeným odvodněním, • dohutnění zásypů objektů (mostů, propustků a jiných podpovrchových konstrukcí), rýh, oprav inženýrských sítí a pod., • vyplavení zemního tělesa do kanalizace, odvodňovacích systémů a chrániček kabelů.
7
Pro další použití se nasbírané poruchy sumarizují a skupinám poruch se přiřazují možné technologie oprav. Dále existuje pro všechny druhy poruch tzv. matice poruch, kde je ke každému typu poruchy na základě dlouhodobých sledování vývoje poruch uvedena vývojová křivka (jak se porucha bude plošně šířit). Kromě souboru s nasbíranými poruchami je zapotřebí pro správný výpočet údržbových opatření pomocí programu systému hospodaření s vozovkou naplnit údaji i následující soubory : •
soubor šířek pro výpočet ploch
•
soubor dopravního zatížení
•
soubor s cenami jednotlivých technologií
•
soubor s životnostmi těchto technologií
•
soubor s konstrukčními vrstvami
8
