Poprawa klimatu akustycznego w otoczeniu autostrad

Nawierzchnie betonowe, jako nawierzchnie sztywne, charakteryzują się dużą odpornością na odkształcenia, niskim współczynnikiem oporu toczenia, wysokim współczynnikiem szorstkości oraz jasnym kolorem nawierzchni. Dzięki ww. cechom oraz długotrwałej użyteczności technicznej i ekonomicznej istotnie się przyczyniają do obniżenia społecznych kosztów mobilności. Obecny stan wiedzy i techniki pozwala wykonywać nawierzchnie betonowe równe, trwałe, szorstkie i równie ciche jak nawierzchnie asfaltowe. Nadal jednak inicjowane i prowadzone są prace badawczo-rozwojowe mające na celu ich udoskonalanie. W ostatnich latach punktem ciężkości tych prac jest optymalizacja struktury powierzchniowej (tekstury) nawierzchni. Jej celem jest zapewnienie wymaganej szorstkości nawierzchni przy jednoczesnej niskiej emisji hałasu. Dobrym przykładem w tym zakresie są prace prowadzone w Niemczech oraz w Polsce przez politechniki w Gdański i Białymstoku [1], [2], [3].

Koncentracja prac na wymienionych zagadnieniach wynika stąd, że nadal problemem jest stosunkowo mały zasób wiedzy odnośnie do wpływu tekstury nawierzchni betonowej na jej szorstkość oraz właściwości akustyczne. Nie można w związku z tym sformułować dobrej podstawy teoretycznej do podejmowania systemowych działań z zakresu optymalizacji tekstury nawierzchni z punktu widzenia szorstkości i właściwości akustycznych. Tymczasem obie te cechy mają kluczowe znaczenie: szorstkość – ze względu na bezpieczeństwo ruchu, właściwości akustyczne – ze względu na konieczność zapewnienia dobrego klimatu akustycznego w otoczeniu dróg i ulic.

Głównym celem tego artykułu jest zwrócenie uwagi na obecnie prowadzone prace badawczo-rozwojowe w Niemczech, które wskazują kierunki rozwoju nawierzchni betonowych z punktu widzenia redukcji emisji hałasu przy jednoczesnym zapewnieniu wymaganych kryteriów szorstkości nawierzchni.

Nawierzchnie betonowe w Polsce – krótki rys historyczny

Począwszy od 1918 r., tj. momentu odzyskania przez nasz kraj niepodległości, budowa dróg o nawierzchni betonowej cały czas nierozłącznie towarzyszyła polskiemu drogownictwu aż do września 1939 r. W latach 1918-1939 budowano nawierzchnie dróg krajowych głównie z kostki kamiennej, kostki klinkierowej oraz betonu cementowego. Nawierzchnie bitumiczne (smołowe i asfaltowe) były w tym czasie w początkowej fazie rozwoju.

Przykładowy sposób wykonywania nawierzchni betonowej w latach 19261935 przedstawiono na fot. 1.

Fot. 1 Budowa drogi o nawierzchni betonowej na odcinku drogi krajowej Warszawa – Modlin, 1935 r. [4]

Fot. 2 Droga krajowa o nawierzchni z betonu cementowego w pobliżu Skoczowa, 1935 r. [4]

Znaczna część nawierzchni z betonu cementowego wybudowanych w latach 1926-1939 przetrwała do końca lat 70. ubiegłego stulecia w dobrym stanie technicznym. Przykładami mogą być zarówno droga Warszawa – Modlin, jak i droga Warszawa – Białystok. Autor artykułu stosunkowo często jeździł samochodem po tych drogach i pamięta, że ich nawierzchnie były w bardzo dobrym stanie. Pęknięcia płyt zdarzały się bardzo sporadycznie. Równość podłużna i poprzeczna nawierzchni była na tyle dobra, że jadąc nawet w czasie ulewnego deszczu, nie zauważało się problemów z odwodnieniem.

W latach 1961-1993 nie budowano w Polsce dróg o warstwie ścieralnej z betonu cementowego. Stopniowy powrót do tradycji budowy nawierzchni betonowych nastąpił w 1994 r. Pierwszym krokiem milowym w tym zakresie była budowa odcinka autostrady A12 Golnice – Krzywa.

Łącznie w latach 1994-2015 wybudowano w Polsce 689 km nawierzchni betonowych na autostradach oraz drogach szybkiego ruchu.

Fot. 3 Nawierzchnia betonowa w miejscowości Wilga po 55 latach eksploatacji (fot. autor, 11.11.2015 r.)

Fot. 4 Widoczny efekt po 20 latach eksploatacji autostrady (fot. Marek Stańczyk, 2015 r.)

Kierunki rozwoju cichych nawierzchni betonowych

Opierając się na wielokryterialnej analizie ekonomicznej, w październiku 2014 r GDDKiA podjęła decyzję budowy ok. 810 km dróg krajowych i autostrad o nawierzchni betonowej. GDDKiA doszła do wniosku, że wskutek budowy dróg o nawierzchni betonowej, już na etapie budowy, społeczne koszty mobilności zostaną obniżone o ok. 670 mln zł [6]. Jednym z istotnych kryteriów wyboru rodzaju nawierzchni na drogach zarządzanych przez GDDKiA [6] była analiza hałasu. Na podstawie badań wykonanych przez Politechnikę Białostocką [1] GDDKiA stwierdziła, że budowane obecnie w Polsce nawierzchnie betonowe praktycznie nie są głośniejsze od cichych nawierzchni asfaltowych. W celu potwierdzenia słuszności tego wniosku przedstawiono w analizie tabelę z danymi z Niemiec, które potwierdziły słuszność tezy, że dobrze wykonane nawierzchnie betonowe z tzw. odsłoniętym kruszywem charakteryzują się poziomem hałasu o 2 dB(A) niższym w stosunku do nawierzchni referencyjnej z asfaltu lanego, tj. dokładnie takim samym poziomem, jaki jest przypisywany cichym nawierzchniom asfaltowym typu SMA. Nie oznacza to, że w zakresie obniżania poziomu hałasu generowanego na styku opona/nawierzchnia betonowa osiągnięto już granicę, której nie da się obniżyć. Klimat akustyczny wokół dróg i ulic jest na tyle ważny społecznie, że w krajach wysoko rozwiniętych kładziony jest bardzo duży nacisk na efektywną poprawę klimatu akustycznego otoczenia drogi. W Niemczech od 1974 r skutecznie obniża się poziom hałasu wytwarzanego na styku opona/nawierzchnia, na dużą skalę wykorzystuje się tam technologię teksturowania nawierzchni betonowych o nazwie Waschbeton (obmyty/płukany beton). Technologia ta, nazywana w języku polskim „odsłanianiem kruszywa”, jest już od kilku lat wykorzystywana również w Polsce, głównie na drogach szybkiego ruchu i autostradach. Projektując drogi i autostrady, w Niemczech się przyjmuje, że dzięki odsłanianiu kruszywa uzyskuje się efekt obniżenia hałasu generowanego na styku opona/nawierzchnia średnio o 2 dB(A) w stosunku do nawierzchni referencyjnej z asfaltu lanego [7].

Fot. 5 Spryskanie środkiem opóźniającym hydratację cementu w górnej warstwie nawierzchni (źródło: J. Patitz, RP Karlsruhe)

Fot. 6 Usuwanie szczotką mechaniczną niezwiązanej zaprawy (źródło: inż. T. Alte-Teigeler, OAT GmbH, Neuss)

Fot. 7 Przykłady wyglądu tekstury nawierzchni betonowych z odsłoniętym kruszywem (źródło: inż. T. Alte-Teigeler, OAT GmbH, Neuss)

W celu odsłonięcia kruszywa, mówiąc w dużym uproszczeniu, wykonaną nawierzchnię betonową spryskuje się równomiernie specjalną substancją opóźniającą wiązanie górnej warstwy betonu, a następnie się usuwa szczotką mechaniczną niezwiązaną zaprawę. W ten sposób następuje odsłonięcie części ziaren kruszywa. Dzięki temu odsłonięciu uzyskuje się podwójny efekt, tj. poprawia szorstkość nawierzchni i jednocześnie obniża poziom generowanego hałasu na styku opona/nawierzchnia. Sposób odsłaniania kruszywa w wykonanej nawierzchni betonowej pokazują fot. 5, 6 i 7.

Patrząc na fot. 7, łatwo zauważymy, że przedstawione tekstury różnią się między sobą. Nasuwa się zatem pytanie: Która z nich jest lepsza z punktu widzenia szorstkości i właściwości akustycznych? Tego rodzaju pytanie prowadzi do powstania dalszych pytań, m.in.: Czy istnieje możliwość dobrania takiej struktury wewnętrznej betonu cementowego, która pozwoli uzyskać optymalne właściwości jego tekstury po odsłonięciu kruszywa? W Niemczech opracowano specjalny program badawczy, którego celem jest projektowanie górnej warstwy nawierzchni betonu drogowego w sposób, który zapewni uzyskanie optymalnej tekstury z punktu widzenia szorstkości i właściwości akustycznych nawierzchni betonowej.

Na rys. 2 przedstawiono różne modele tekstury nawierzchni. Widać, że ideałem, do którego należy dążyć, jest nawierzchnia opisana w modelu nr 4. Z badań wykonanych przez Jensa Skarabisa z Uniwersytetu Technicznego w Monachium wynika, że w praktyce głębokość tekstury może być istotnie różna, nawet jeśli mówimy o nawierzchniach betonowych z odsłoniętym kruszywem. Dobrze to widać na fot. 8, widoczne tekstury nawierzchni różnią się głębokością i wskutek tego wykazują różne właściwości z punktu widzenia szorstkości i właściwości akustycznych.

Fot. 8 Zdjęcia odwiertów z nawierzchni betonowej z odsłoniętym kruszywem obrazujące różne głębokości tekstury (wartości EDT w mm) (źródło: inż. J. Skarabis, TU Munchen, publikacja w Griffig 2/2014)

Rys. 2 Modele tekstury nawierzchni (źródło: MC Bauchemie)

Rys. 3 Obliczony poziom hałasu w zależności od głębokości tekstury oraz liczby wierzchołków makrotekstury (Profilspitzen) na 25 cm²(źródło: inż. J. Skarabis, TU Munchen, publikacja w Griffig 2/2014)

Pytanie: Która z próbek odpowiada najbardziej modelowi nr 4?

Odpowiedź na pytanie dają wyniki badania właściwości akustycznych, przedstawione na wykresach na rys. 3. Mając na względzie, że liczba 30 wierzchołków makrotekstury na 25 cm² zapewnia wystarczającą szorstkość nawierzchni (wynika to z badań J. Skarabisa), po przeanalizowaniu wykresów poziomu hałasu w zależności od głębokości tekstury (wykresy po prawej stronie) można odpowiedzieć: najbardziej zbliżona do modelu nr 4 jest próbka nawierzchni o głębokości tekstury 0,71 mm, tj. próbka widoczna na fot. 8 jako druga od lewej strony. Budując zatem nawierzchnię betonową o strukturze wewnętrznej zapewniającej po odsłonięciu kruszywa teksturę taką jak na tej próbce (ETD 0,71), zyskujemy redukcję hałasu o około 6,1 dB(A) przy prędkości 80 km/godz. i o około 6,7 dB(A) w stosunku do próbki o ETD 1,45 mm w przypadku pomiaru przy prędkości pojazdów 120 km/godz. Według tego rodzaju analizy widzimy wyraźnie, że w przypadku uznania, iż wszystkie nawierzchnie betonowe z odsłoniętym kruszywem należą do cichych, wówczas jednym z kierunków rozwoju cichych nawierzchni betonowych jest optymalizowanie struktury wewnętrznej/składu kruszywa mineralnego w mieszance betonowej w taki sposób, aby można było zapewnić teksturę nawierzchni, która da gwarancję najniższego poziomu hałasu przy jednocześnie wystarczającym poziomie szorstkości. Z dotychczas otrzymanych badań wykonywanych w Niemczech wynika jednoznacznie, że w przypadku teksturowania nawierzchni betonowych metodą odsłaniania kruszywa istnieje jeszcze wiele potencjalnych możliwości wykonywania nawierzchni istotnie cichszych od tych, które są obecnie wykonywane. Można wnioskować, że prowadzone w Niemczech prace już w najbliższych latach wzbogacą wiedzę teoretyczną na tyle, że umożliwi to projektowanie i wykonywanie w sposób systemowy szorstkich i jednocześnie jeszcze bardziej cichych nawierzchni betonowych teksturowanych metodą odsłoniętego kruszywa.

Fot. 9 Główna maszyna do teksturowania metodą Grinding (źródło: OAT GmbH)

Fot. 10 Maszyna główna wraz z innymi maszynami z zestawu urządzeń do teksturowania nawierzchni betonowych metodą Grinding (źródło: OAT GmbH)

Fot. 11 Główny element maszyny do teksturowania nawierzchni metodą Grinding (źródło: T. Alte-Teigeler, OAT GmbH)

Drugim bardzo ważnym kierunkiem rozwoju z punktu widzenia redukcji hałasu generowanego na styku opona/nawierzchnia jest wykorzystanie możliwości, jakie stwarza teksturowanie nawierzchni metodą Grinding (szlifowanie). Metoda ta wywodzi się z USA. Potrzebę jej opracowania i wykorzystywania zrodziła konieczność zapewnienia wymaganej równości i szorstkości betonowych nawierzchni lotniskowych. Kilka lat temu zaczęto wykorzystywać metodę Grinding w Niemczech w celach renowacji betonowych nawierzchni dróg szybkiego ruchu i autostrad. Miała ona głównie na celu poprawę równości i szorstkości eksploatowanych nawierzchni betonowych. Efekty, jakie uzyskano, były nadspodziewanie korzystne: teksturowanie metodą Grinding nie tylko zdecydowanie poprawiało równość i szorstkość nawierzchni, ale dzięki temu także komfort jazdy i bezpieczeństwo ruchu. Miłym zaskoczeniem było obniżenie poziomu hałasu generowanego na styku opona/nawierzchnia o około 6-7 dB(A). Efekt tak dużego obniżenia poziomu hałasu utrzymywał się przez kilka lat nawet w przypadku bardzo dużego obciążenia ruchem szybkim i ciężkim. Okazało się również, że teksturowanie metodą Grinding daje możliwości optymalizacji głębokości tekstury w sposób kontrolowany oraz możliwości teksturowania nawierzchni zarówno eksploatowanych, jak i nowych. W Niemczech prowadzone są prace badawcze w zakresie efektów teksturowania metodą Grinding nowo budowanych nawierzchni betonowych. Wykonano tam odcinek badawczy na autostradzie A12, między Berlinem i granicą Polski (km 34+100 – km 35 +000). Ma on na celu zbadanie efektów teksturowania nowo budowanej nawierzchni betonowej. Teksturowanie na tym odcinku wykonano metodą Grinding w 2015 r. (fot. 9 i 10). Badania nadal trwają. Z wyników udostępnionych autorowi wynika, że dzięki metodzie Grinding istnieje wiele możliwości kształtowania tekstury nawierzchni betonowych w sposób ściśle kontrolowany i uzyskiwania redukcji hałasu powstającego na styku opona/nawierzchnia na poziomie 5-7 dB(A). Wynikiem potwierdzającym słuszność tej tezy jest m.in. wykres (fot. 12). Wynika z niego jednoznacznie, że kształtując szerokość odstępu między segmentami nacinającymi, możemy uzyskiwać zmienne wartości poziomu hałasu w przedziale 76-84 dB(A), czyli różnicę rzędu 8 dB(A). Jest to bardzo dużo, jeśli weźmie się pod uwagę, że zmiana natężenia hałasu na poziomie 3 dB(A) daje taki efekt, jakbyśmy zmniejszyli natężenie ruchu pojazdów o połowę.

Rys. 4 Możliwość wariantowania charakterystycznych cech teksturowania metodą Grinding (źródło: inż. J. Skarabis, TU Munchen, inż. T. Alte-Teigeler, OAT GmbH)

Fot. 12 Warianty tekstury uzyskanej metodą Grinding w zależności od odległości między segmentami nacinającymi wraz z wykresem obrazującym poziom generowanego hałasu na styku opona/nawierzchnia (źródło: inż. J. Skarabis, TU Munchen, inż. T. Alte-Teigeler, OAT GmbH)

Podsumowanie i wnioski

Ponieważ głównym celem drogownictwa jest obniżanie społecznych kosztów mobilności, zwrócono uwagę na jeden z czynników mających istotny wpływ na te koszty. Tym czynnikiem jest klimat akustyczny w otoczeniu drogi, na który bardzo duży wpływ ma hałas generowany na styku opona/na- wierzchnia. Chcąc skutecznie obniżyć poziom tego hałasu, konieczne jest prowadzenie prac badawczo-rozwojowych mających na celu dostarczenie wiedzy pozwalającej stworzyć podstawę do systemowej optymalizacji tekstury nawierzchni betonowych z punktu widzenia jej szorstkości i właściwości akustycznych. Z dotychczasowych wyników tych prac wynika, że:

1. Pomimo dużego postępu, jaki się udało uzyskać w ostatnich latach w zakresie obniżania hałasu wytwarzanego na styku opona/nawierzchnia betonowa, bardzo racjonalne ze społecznego punktu widzenia jest inicjowanie oraz prowadzenie dalszych prac badawczo-rozwojowych, mających na celu obniżanie poziomu hałasu powstającego na styku opona/nawierzchnia.

2. Najnowsze wyniki niemieckich badań oraz doświadczeń z zakresu teksturowania nawierzchni betonowych metodą odsłaniania kruszywa oraz metodą Grinding wskazują na istniejące nadal duże możliwości poprawy klimatu akustycznego w otoczeniu dróg i ulic.

3. Skuteczną metodą poprawy klimatu akustycznego otoczenia dróg i autostrad jest optymalizowanie głębokości oraz kształtu tekstury nawierzchni betonowych. Dzięki tej optymalizacji istnieją duże możliwości obniżania poziomu hałasu generowanego na styku opona/na- wierzchnia.

4. W najbliższych latach rozwój cichych nawierzchni betonowych będzie zmierzał w kierunku budowy nawierzchni z odsłoniętym kruszywem, którego skład zostanie dobrany w sposób zapewniający optymalne właściwości tekstury nawierzchni z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu i właściwości akustycznych. Będzie to jeden z dwóch głównych kierunków rozwoju cichych nawierzchni betonowych.

5. Drugim głównym kierunkiem rozwoju cichych nawierzchni betonowych będzie teksturowanie zarówno eksploatowanych, jak i nowych nawierzchni betonowych metodą Grinding. Potencjał rozwojowy tej metody jest bardzo duży.

6. Teksturowanie metodą Grinding ma swoistą przewagę nad teksturowaniem metodą odsłaniania kruszywa ze względu na możliwości ścisłego zaprojektowania właściwości tekstury nawierzchni oraz wykonywania całego procesu w sposób ściśle kontrolowany. Z tego też względu można się spodziewać, że w następnej dekadzie XXI wieku będzie to główny kierunek rozwoju cichych nawierzchni betonowych, zarówno eksploatowanych, jak i nowych.

7. Teksturowanie metodą Grinding daje dobre możliwości skutecznej naprawy wykonywanych nawierzchni betonowych w przypadkach, kiedy się nie uda uzyskać wymaganych parametrów tekstury nawierzchni. W kontekście zaplanowanej w Polsce budowy dróg o nawierzchniach betonowych w najbliższych latach jest to wniosek bardzo istotny, ponieważ z pewnością wystąpią odcinki, na których trzeba będzie wcześniej lub później poprawić strukturę powierzchniową, a w tym zakresie metoda Grinding obecnie wydaje się być najbardziej skuteczną w kontekście wyników badań, jakie uzyskano dzięki niemieckim pracom badawczo-rozwojowym, które przedstawiono w artykule.

dr inż. Wiesław Dąbrowski
przewodniczący Grupy Roboczej „Nawierzchnie Betonowe” Polskiego Kongresu Drogowego
prezes Zarządu Instytutu Dróg i Lotnisk Sp. z o.o.