Vplyv klimatických zmien na kvalitu vozoviek

Klimatické zmeny spôsobené globálnym otepľovaním majú vplyv na všetky oblasti života. Pred týmto javom nemožno zatvárať oči ani v prípade návrhu nových konštrukcií vozoviek, ale najmä nie pri plánovaní údržby existujúcej cestnej siete, pretože namáhanie vplyvom teploty má rozhodujúci význam pre funkčnú spôsobilosť asfaltových aj cementobetónových vozoviek.

Dôležitou úlohou je zistiť správanie vozoviek vzhľadom na klimatické zmeny a začať pracovať na stratégii, ako čeliť ich vplyvom. Je nevyhnutné určiť dlhodobú zraniteľnosť vozoviek pôsobením klimatických zmien, ktoré sa prejavujú zmenami teplôt, zmrazovacích cyklov, zmenami vlhkosti, záplavami a povodňami, slnečným žiarením a zvyšovaním hladiny morí.

Na základe analýz klimatických scenárov pre súčasnosť a budúcich klimatických scenárov do roku 2100 formulovali klimatológovia tieto čiastočné závery, ktoré priamo súvisia s cestnou dopravou:

• zmena klímy povedie k zmene priemerných ročných teplôt, ktoré budú stúpať (do roku 2100),
• budú rásť minimálne teploty vzduchu, ako aj počet dní, keď teplota prekročí bod mrazu, a v lete bude rásť počet nocí s minimálnymi teplotami nad 18 alebo až nad 20 °C,
• nárast teploty vzduchu a zároveň nárast množstva zrážok povedie k väčšej intenzite dažďov, búrok a silných vetrov, ako aj k nárastu množstva a intenzity mrazu v zime (aj nárast rizika hustej hmly).

Ako charakterizovať klimatické zmeny a ich možný vplyv na krátkodobé a dlhodobé správanie netuhých, polotuhých a tuhých vozoviek a ako toto správanie hodnotiť? Prebiehajúce globálne klimatické zmeny majú rôzne environmentálne, sociálne aj ekonomické vplyvy. Ich vážnosť sa líši podľa jednotlivých geografických pásiem, krajín a regiónov. Musíme akceptovať naliehavú potrebu úpravy technických noriem a formulácie predpisov týkajúcich sa opatrení, ktoré majú byť prijaté. Aby sme mohli odpovedať na otázky, na ktoré ešte nemáme technické riešenia, je nevyhnutné vyvíjať aj výskumné aktivity.

Klimatické zmeny majú významný vplyv na cestnú sieť. Častejšie dažďové zrážky sú v určitých častiach sveta príčinou záplav a zvýšenia hladiny spodnej vody, čo vedie k erózii, nestabilitám svahov a zníženiu únosnosti cestných konštrukcií. V iných častiach sveta môžu byť pevnosti a únosnosti konštrukcie znížené v dôsledku rozmŕzania trvalo zamrznutej pôdy. V ďalších regiónoch sú cesty vystavené pôsobeniu zvýšeného po­čtu zmrazovacích cyklov, ktoré zrýchlia poškodzovanie vozoviek ich zdvíhaním, trhlinami a výtlkmi. Zvýšenie priemerných či maximálnych teplôt ovzdušia môže byť príčinou zvýšenia náchylnosti asfaltových materiálov na trvalé deformácie a potenie spojiva. Vozovky sa stávajú zraniteľnejšími.

To všetko vedie k zvyšovaniu nákladov na údržbu. Možno konštatovať, že klimatické zmeny budú mať v nasledujúcom období vplyv na plánovanie, navrhovanie, výstavbu, prevádzkovanie a údržbu cestnej siete. Musia sa preto zohľadniť v predpisoch a normách, ako aj v stavebných činnostiach, ktoré treba prispôsobiť predpokladaným vplyvom, aby sa dlhodobo ochránila tranzitná spôsobilosť cestnej infraštruktúry.

Uvedenie do problematiky
Ako systematicky postupovať pri uvážení vplyvu klimatických zmien na vozovky? V prvom rade je nevyhnutné zhodnotiť riziká a odolnosť, respektíve zraniteľnosť vozovky, pokiaľ ide o klimatické javy. Ďalej treba určiť priority možných opatrení, ktoré môžu byť prijaté buď okamžite, alebo postupne tak, aby sa zabránilo negatívnym následkom klimatických zmien na prevádzkovú spôsobilosť.

Pri hodnotení rizík a zraniteľnosti vozoviek treba postupovať systematicky. Prvým krokom je určenie možných účinkov klimatických zmien. V oblasti strednej Európy, ktorá patrí do skupiny regiónov mierneho pásma, možno pozorovať:

• zvýšenie priemernej teploty vzduchu,
• zvýšenie maximálnych (extrémnych) teplôt vzduchu,
• zvýšenie dažďových zrážok,
• viac extrémnych zrážok,
• zvýšenie rýchlosti vetra.

Z toho vyplývajú zmeny úrovne spodnej vody, povodne, zníženie mrazových dní počas zimy, ale oproti tomu zvýšenie zmrazovacích cyklov (mráz/topenie).

Druhým krokom je odhad vplyvov klimatických zmien na stav cestných vozoviek. Citlivosť, ako aj odolnosť jednotlivých vrstiev alebo konštrukcie vozovky ako celku na klimatické vplyvy sa bude určovať úrovňou poškodenia, takzvaným znížením prevádzkovej výkonnosti. Rozdielne klimatické zmeny budú mať rôzne vplyvy na stav konštrukcie vozovky. Napríklad zvýšenie priemerných teplôt v kombinácii s väčším výskytom krátkych období veľmi horúcich dní zvyšuje možnosť vyjazdenia koľají vo vrstvách stmelených asfaltom. Podobne môže vyššia hladina spodnej vody viesť k podmáčaniu podkladových vrstiev, a teda k zníženiu únosnosti a únavovým trhlinám.

Tretím krokom je posúdenie rizík a určenie možných riešení a stratégie. Cestní odborníci musia úzko spolupracovať s klimatológmi. Dôležitý je časový horizont účinkov klimatických zmien, čo môže ovplyvniť požiadavky na použité materiály spolu s predpokladanou funkčnou spôsobilosťou konštrukcie vozovky. To musí byť zapracované do hodnotenia rizík.

Štvrtým a piatym krokom je realizácia prijatých plánov a stratégií, ich sledovanie a vyhodnotenie.
Klimatické zmeny môžu mať na vozovky krátkodobý alebo dlhodobý vplyv. Prispôsobenie konštrukcií vozoviek týmto zmenám je dlhý proces.

Následky zmeny teploty a možné opatrenia týkajúce sa asfaltových vozoviek

Hlavný vplyv vyššieho počtu dní alebo niekoľkodňových období s extrémne vysokými teplotami na asfaltové vrstvy sa prejavuje zvýšením rizík vyjazdenia koľají, potením povrchu vozoviek a vznikom trhlín.

Vysoké teploty povrchu spolu s vyššou intenzitou a časom pôsobenia ultrafialového žiarenia sú príčinou rýchlej oxidácie, a tým tvrdnutia asfaltovej fázy najmä v horných, najviac vystavených častiach asfaltového súvrstvia. Spojivo stráca lepivé schopnosti, stáva sa menej pružným, tvrdším a stráca tak odolnosť proti namáhaniu vyvolanému dopravou a poveternostnými podmienkami. Výsledkom je vznik mikro- a makrotrhlín, strata materiálu z povrchu a následné zvýšenie priepustnosti vody a zníženie únosnosti konštrukcie.
Dôsledkom zníženia tuhosti asfaltových vrstiev vplyvom vysokých teplôt je okrem vyjazdených hlbokých koľají aj prenos väčšieho podielu dopravného zaťaženia do spodných podkladových vrstiev s možnosťou vyjazdenia koľají v celej konštrukcii vozovky. Keďže uvedené nie je pri bežných prehliadkach viditeľné, poruchy v spodných vrstvách narastajú a výsledkom je nevyhnutnosť celkovej rekonštrukcie.

Medzi krátkodobé a dlhodobé riešenia patrí okrem iného úprava návrhu asfaltovej zmesi výberom vhodného spojiva, modifikácia polymérmi, optimalizácia objemových kritérií – medzerovitosti a pevnejšia kamenná kostra. V prípade náterov aj asfaltových vrstiev je riešením použitie asfaltových spojív s vyšším bodom mäknutia.
Možným riešením znižujúcim teplotu povrchu sú mikrokoberce s použitím svetlého kameniva alebo farebných pigmentov. Transparentné spojivá z termoplastických polymérov alebo živíc možno využiť na nátery aj na obrusné vrstvy. V Japonsku bol pokusne použitý náter odrážajúci slnečné žiarenie, ktorý má vysokú odrazivosť v blízkosti infračerveného spektra a malú odrazivosť pre viditeľnú časť spektra.

Ďalším riešením je účelové riadenie dopravy. Okrem prechodných uzávierok alebo prechodného zníženia povoleného zaťaženia sa treba zamyslieť nad zavedením prísnejších limitov maximálnych nápravových tlakov a tlakov v pneumatikách v kombinácii s prísnejším monitorovaním a meraním dopravného zaťaženia. Administratívnym opatrením možno ťažkú nákladnú dopravu presunúť do nočných hodín, keď sú teploty nižšie a asfaltové vozovky tuhšie a odolnejšie.

Vozovky sú vystavené trom hlavným teplotným režimom, ktorých účinky sú všeobecne známe. Sú to:

• trvalý neprerušovaný teplotný režim počas zimných mesiacov,
• premenlivý teplotný režim počas jesene,
• trvalý neprerušovaný letné teplotný režim začínajúci od jari.

Ak sa zimné obdobie stáva teplejším, vozovky sú vystavené vyššiemu počtu zmrazovacích cyklov vedúcich k predčasnému poškodeniu trhlinami alebo výtlkmi najmä horných vrstiev. To umožňuje prienik vody do konštrukcie vozovky. Objemové zmeny tejto vody počas zmrazovacích cyklov vedú k výtlkom, zdvíhaniu vozovky a nižšej únosnosti ako dôsledku vlhkosti v konštrukcii.

Zníženie počtu veľmi chladných dní má za následok vyššiu frekvenciu zmrazovacích cyklov, ktoré sú príčinou problémov so životnosťou a únavou, ako aj príčinou väčšieho výskytu poľadovice. To sa prejavuje zvýšenými požiadavkami na spotrebu rozmrazovacích che­mikálií a ich možnými nepriaznivými účinkami.
Vrstvy krytu vozovky by mali byť odolné proti povrchovej vlhkosti a soliam. Túto podmienku môžu spĺňať asfaltové zmesi s vyšším obsahom spojiva a nízkou medzerovitosťou, ktoré sú však ešte schopné odolávať plastickým deformáciám v horúcich letných dňoch. Modifikácia asfaltového spojiva a použitie prísad zvyšujúcich priľnavosť asfaltu ku kamenivu umožní pripraviť odolnú asfaltovú zmes proti poškodeniu vplyvom vlhkosti.

Na zmiernenie problémov s únosnosťou by sa mali používať len nenamŕzavé materiá­ly odolné proti vlhkosti a realizovať kvalitná drenáž spodných vrstiev vozovky.

Z administratívnych opatrení aj tu platí podobné odporúčanie ako pri horúcich letných dňoch, t. j. obmedzenie vozidiel s vysokými nápravovými tlakmi. Počas veľmi nízkych nočných teplôt treba ťažkú dopravu povoliť len cez deň.

Obr. 1  Moduly tuhosti (ITCY) asfaltových zmesí bez pridania a s pridaním prírodnej asfaltovej zmesi Trinidad Epuré Z 0/8

Obr. 2  Pomerná hĺbka vyjazdenej koľaje (%) asfaltových zmesí bez pridania a s pridaním prírodnej asfaltovej zmesi Trinidad Epuré Z 0/8

Následky zmien dažďových zrážok a možné opatrenia
Zvýšenie početnosti intenzívnych dažďových zrážok je spojené so zvýšenými rizikami s možným vplyvom na cestné stavby a tiež na používateľov ciest. Hlavné riziká sú:

• poškodenie asfaltových vrstiev pôsobením vody,
• zníženie únosnosti spodných vrstiev vozovky,
• zníženie bezpečnosti a pohodlia používateľa,
• zničenie vozoviek v dôsledku povodní, prípadne v dôsledku poklesov pôdy.

Poškodenie asfaltových vrstiev pôsobením vody je jav, ktorý ešte nie je úplne pochopený. Pravdepodobne existuje mnoho rôznych mechanizmov, ktoré pôsobia v rôznych stupňoch a v rozdielnych situáciách. Ide napríklad o porušenie priľnavosti spojiva ku kamenivu, najmä kyslému a pri použi­tí nevhodného drobného kameniva, ďalej o vymývania spojiva z kameniva v dôsledku opakovaných zvýšených hydraulických tlakov vyvolaných dopravným zaťažením v prípade, že voda preniká medzi asfaltové vrstvy.

Únosnosť sa znižuje pri vysokej vlhkosti podkladových vrstiev a podložia. Príčinou môže byť jednak zvýšenie hladiny spodnej vody a jednak neschopnosť existujúcej drenáže odviesť extrémne množstvo vody.
Následky intenzívnych dažďových zrážok možno riešiť zvýšením vodonosnej kapacity poréznych vozoviek alebo poréznych obrusných vrstiev. Ďalším možným riešením zníženia vplyvu vyššej frekvencie dažďových zrážok je zodpovedný návrh konštrukcie s vhodnými drenážnymi opatreniami. Prispôsobenie drenážnej kapacity s úpravou priečneho sklonu, odvod vody drenážnymi systémami mimo konštrukciu vozovky zabráni vode preniknúť do spodných vrstiev. Údržba nespevnených krajníc a priekop zaistí odvod vody mimo vozovku.

V Európe sa autori mnohých významných prác zaoberajú ochranou asfaltových vrstiev proti vode, ako aj návrhovými opatreniami a drenážnymi systémami. Z dlhodobého pohľadu by sa mal prijať rad stratégií na:

• použitie poréznych horných vrstiev vozovky na odvod vody mimo konštrukciu,
•  vývoj hydrofóbnych postrekov,
• modelovanie svahových zosuvov,
• zlepšenie geometrie vrátane požiadaviek na priečne sklony,
• zlepšenie povrchových a podpovrchových drenážnych systémov.

Klimatické zmeny možno primerane zmierniť znížením emisií skleníkových plynov, na čom sa cestné staviteľstvo môže podieľať napríklad optimalizáciou projektov a stratégie údržby s dosahom na kvalitu a prijatím koncepcie návrhov vozoviek s dlhou životnosťou, znížením použitia nových stavebných materiálov a znížením obmedzovania dopravy minimalizáciou údržbových zákrokov z dôvodu životnosti.

Minimalizácia použitia nových materiálov je veľmi dôležitá, pretože množstvo použitých materiálov počas životnosti zvyšuje uhlíkovú stopu, napríklad stavebné a údržbové procesy. Nástroje ako celoživotné náklady a celoživotné analýzy by sa mohli použiť na optimalizáciu stratégie projektov a údržby. Naopak, znížiť uhlíkovú stopu môže použitie nízkoenergetických materiálov, ak budú ich funkčné parametre minimálne rovnaké ako pri tradičných materiáloch, napríklad studené, poloteplé alebo teplé asfaltovej zmesi, recyklované zmesi, popolček ako náhrada portlandského cementu, vysokopecná troska a podobne. Ďalej je to použitie energeticky výhodnejších technológií ako recyklácia in-plant alebo in-situ. K všeobecným odporúčaniam patrí aj minimalizácia prepravy materiálov.

Výstupy rizikových analýz by mali určiť, ktorým aktivitám by sa mala venovať okamžitá pozornosť, napríklad preprojektovaniu drenážnych systémov a odvodneniu a zmene návrhových teplôt. Za predpokladu, že klíma sa bude meniť v čase len postupne, by prijímanie zmien týkajúcich sa existujúcej infraštruktúry mohlo byť aj postupné, napríklad počas opráv alebo rekonštrukcií.

Príklad riešenia na zlepšenie vlastností asfaltových zmesí
V rámci optimalizácie vlastností asfaltových zmesí na diaľničné vozovky sa v laborató­riách TPA overoval vplyv prírodnej asfaltovej zmesi s označením Trinidad Epuré Z 0/8 (TE) na zmenu vybraných parametrov. Vzhľadom na pozitívne skúsenosti s používaním prírodného asfaltu do asfaltových zmesí z minulosti aj na Slovensku a vzhľadom na samotné známe parametre granulátu TE sme predpokladali najmä zlepšenie odolnosti upravených zmesí proti tvorbe trvalých deformácií.

Podľa zahraničnej literatúry zlepšuje pridanie prírodného asfaltu do asfaltovej zmesi priľnavosť asfaltu ku kamenivu a zároveň zvyšuje jeho tuhosť, vďaka čomu sa:

• zvyšuje tuhosť asfaltovej zmesi,
• znižuje náchylnosť na tvorbu trvalých deformácií,
• lepšie odoláva vypieraniu zŕn vplyvom vlhkosti,
• pomalšie starne vplyvom oxidácie.

Na porovnanie sa vybrala asfaltová zmes na podkladovú vrstvu netuhej konštrukcie vozovky na extrémne vysoké dopravné zaťaženie AC 22 P; PMB; I; 90 mm; STN EN 13108-1 s dvomi rôznymi druhmi modifikovaného asfaltu a pridaním 2 a 3 % hm. asfaltovej zmesi granulátu TE.

Na obr. 1 a 2 sú graficky zvýraznené sledované parametre modulov tuhostí skúmaných asfaltových zmesí, vykonané metodikou ITCY pri teplote 15 °C podľa STN EN 12697-26, a po­merné hĺbky vyjazdenej koľaje (%) podľa STN EN 12697-22 na takzvanom malom zariadení.

Na vybranom príklade možno konštatovať, že aj pôvodná asfaltová zmes s veľkou rezervou spĺňala kvalitatívne požiadavky, ale pridaním prírodnej asfaltovej zmesi Trinidad Epuré Z 0/8 sa výraznejšie zlepšujú parametre, a tým sa aj predlžuje životnosť konštrukcie vozovky. Podobné inovácie sú aktuálne najmä v prípade funkčných projektov, napríklad typu PPP, kde vylepšením parametrov použitých vrstiev možno analyzovať ekonomický vplyv na náklady na výstavbu a údržbu vozovky a zároveň eliminovať dosah negatívnych vplyvov klimatických zmien na degradáciu vozovky (zníženie zraniteľnosti vozoviek).

Záver
V dôsledku vplyvu klimatických zmien na zvýšené namáhanie (všetkých typov) konštrukcií vozoviek sa znižuje ich životnosť (aj na našich cestách je pozorovateľný zvýšený výskyt plastických deformácií). Na zistenie miery vplyvu zmien na existujúce vozovky v našich klimatických podmienkach a hľadanie odpovedí na otázky, na ktoré ešte nemáme technické riešenia, treba vyvíjať výskumné aktivity, ktoré u nás výrazne absentujú.

Takisto je nevyhnutné podniknúť opatrenia na zníženie zraniteľnosti novopostavených vozoviek. Aktuálna a naliehavá je potreba úpravy technických noriem a predpisov týkajúcich sa kvalitatívnych parametrov materiálov a vrstiev vozovky, ako aj konštrukcie vozovky ako celého systému (napríklad odvodnenia) v kontexte okolitého životného prostredia. Samozrejmosťou musí byť zohľadnenie zmeny okrajových podmienok už vo fáze návrhu (dimenzovaní) konštrukcie vozovky, na čo by mala reflektovať návrhová metóda založená na analytickom princípe (pretože s novými okrajovými podmienkami nemáme empirické skúsenosti).

TEXT: Dipl. Ing. Zsolt Boros
OBRÁZKY a FOTO: archív autora

Zsolt Boros je vedúci oblasti Slovensko v spoločnosti TPA Spoločnosť pre zabezpečenie kvality a inovácie, s. r. o.

Literatúra
1. Climate Change Effect on Road. PIARC
(World Road Association) report No. 6498.
2. Boros, Zs.: Netuhé a polotuhé vozovky.
In: Přínosy XXIV. Světového silničního kongresu, Kroměříž, 2012.
3. Dostál, J.: Aktivity světové silniční asociace AIPCR v oblasti asfaltových vozovek v období 2007–2011. In: Asfaltové vozovky 2011, České Budějovice.
4. Boros, Zs., Cehlár, M.: Vplyv prírodnej asfaltovej zmesi na zlepšenie vlastností asfaltových zmesí.
In: Výstavba a rehabilitácia asfaltových vozoviek. SAAV, Štrbské Pleso 2011.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.