Σχεδιασμός και βελτιστοποίηση οδοστρωμάτων από σκυρόδεμα σε δασικές και ορεινές περιοχές

Abstract

The scope of this thesis is to investigate the design and properties of rigid concrete pavements for forest and mountainous areas of Greece. Rigid pavements at forest roads must provide adequate bearing capacity, long service life and good traffic conditions, with the minimum construction and maintenance cost.The area of research is Epirus, at Northwestern Greece, which is characterized as a steep, mountainous landscape, covered by forests to a great extent. Forest roads without pavement at the mountainous areas of Epirus must be maintained yearly in order to be usable. On the other hand, forest roads with rigid pavement have no need for maintenance and even at the end of the pavements life cycle remain useable. Rigid pavements have been established as a good technical solution for the Forest Service, which constructs them at forest roads with repeated surface wear.So far rigid pavements at forest roads in the mountains of Epirus have been constructed on an empirical basis. Basic parameters of road pavements design have been ignored. Furthermore, the energy footprint of the constructed forest rigid pavements is high and no industrial byproducts or recycled materials have been used in order to reduce life cycle cost.Forest and mountainous roads are low volume roads; trucks carry heavy loads of wood only during the harvest period. In mountain and forest areas, like the mountains in the area of Epirus, it is inefficient to record traffic volumes due to the extensive forest road network and bad weather conditions during the winter. For this reason, traffic load is estimated using forest wood production, farming intensity and the amount of industries located at forest and mountainous areas (quarries, wind farms, etc.). Using this information it is possible to calculate traffic load for any forest and mountainous area.In order to make a complete registry of the problems and failures of concrete pavements constructed in forest roads of the Region of Epirus, it was decided to record the existing concrete pavements by visiting and surveying most of the forest road network of Epirus. A large area of the Region of Epirus was covered including parts with high tree density.A database was created containing problems in the observed road network, in order to identify and present the most common causes of failure in the forest concrete pavements. An identification and categorization of the concrete pavement properties was carried out and core specimens were drilled from concrete, while soil specimens were also taken from the ground where the concrete layer was based on. The traffic load for the service life of the pavements was then estimated and, based on the results, the required concrete layer thickness was calculated. The results of this research show that the existing forest concrete pavements of Epirus were constructed with less than the minimum required designed thickness, a practice that could account for some of their durability issues.Rigid pavement thickness design for new forest pavements has been made using empirical, analytical, and mechanistic-empirical methods. The calculations made using the 1993 AASHTO Empirical Equation for Rigid Pavements; SteetPave12; LTPP Rigid Pavement Online; and MnDOT M-E Design for Rigid Pavements, show that a C20/25 concrete layer with 15 cm thickness is adequate for the most forest roads in Epirus. Rigid pavements at forest roads are mainly constructed with concrete. Research previously carried out by the AUTH Laboratory of Building Materials regarding the use of industrial by-products, such as steel slag and fly ash, in the concrete mix was also adopted in order to focus on the design and construction of rigid forest pavements in Greece.The maintenance and rehabilitation cost of forest roads without pavement was contrasted to the cost of rigid pavements at forest roads and the savings that can be achieved by using high volume fly ash concrete were estimated.The key points concerning the design and construction of forest rigid pavements are: •Proper preparation and soil formation must be carried out before the construction of the rigid pavement •Wherever the soil is vulnerable to erosion, the ditch of the forest road alongside the rigid pavement must be constructed with concrete or stones•The use of high volume fly ash concrete results in major cost savings in forest rigid pavements construction•RCC pavements are very effective for use in forest roadsThe entire research leads to a Forest Rigid Pavement Management System – FRPMS. In Greece, forest mountainous roads are mainly being designed by forest engineers under the supervision and approval of the local forest service. For the design and construction of rigid pavements at forest roads there are currently no specifications available and are being constructed empirically. Rigid pavement design for the average forest road in Epirus has been determined in this research, although by following the FRPMS it is possible to design optimal rigid concrete pavements for any forest and mountainous areas of Greece.

Το αντικείμενο έρευνας της διατριβής είναι ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση των δύσκαμπτων οδοστρωμάτων από σκυρόδεμα για δασικούς και ορεινούς δρόμους ώστε να παρέχουν καλές κυκλοφοριακές συνθήκες, έχοντας την απαραίτητη φέρουσα ικανότητα και αντοχή στο χρόνο με το χαμηλότερο δυνατό κόστος κατασκευής και συντήρησης. Το κύριο υλικό που χρησιμοποιείται στην κατασκευή δύσκαμπτων οδοστρωμάτων είναι το σκυρόδεμα. Για την σύνθεση και τις ιδιότητες του σκυροδέματος τόσο με συμβατικά υλικά όσο και με ανακυκλώσιμα, βιομηχανικά παραπροϊόντα (τέφρα, σκωρία, κ.α.) έχει προηγηθεί εκτεταμένη έρευνα από το Εργαστήριο Δομικών Υλικών του Α.Π.Θ.. Η γνώση αυτή αξιοποιείται στην παρούσα έρευνα που επικεντρώνεται στον τρόπο εφαρμογής, τις διαστάσεις και τις ιδιότητες που απαιτείται να έχει το σκυρόδεμα για να αποδώσει το κατάλληλο οδόστρωμα για δασικές και ορεινές οδούς στην Ήπειρο και κατ’ επέκταση και στους υπόλοιπους δασικούς δρόμους της Ελλάδας.Κατά την διάρκεια των τελευταίων χρόνων παρατηρούνται σημαντικές φθορές στο κατάστρωμα υφιστάμενων δασικών δρόμων χωρίς οδόστρωμα που επαναλαμβάνονται σε ετήσια βάση, παρά την συντήρησή που γίνεται από τη Δασική Υπηρεσία. Αντίθετα όπου στους δασικούς δρόμους έχει κατασκευαστεί δύσκαμπτο οδόστρωμα από σκυρόδεμα η ανάγκη συντήρησης είναι μηδαμινή και εξαρτάται από τη διάρκεια ζωής του δύσκαμπτου οδοστρώματος. Αν και τα δύσκαμπτα οδοστρώματα εμφανίζουν φθορές ο δασικός δρόμος παραμένει βατός και λειτουργικός μέχρι την ολοκληρωτική καταστροφή του οδοστρώματος. Το μόνο αποτέλεσμα της φθοράς του δύσκαμπτου οδοστρώματος είναι η χειρότερη ποιότητα κύλισης των οχημάτων. Αντίθετα ένας δασικός δρόμος χωρίς οδόστρωμα που έχει υποστεί σημαντικές φθορές, χωρίς διαρκή συντήρηση παύει να είναι λειτουργικός και πολλές φορές γίνεται αδιάβατος.Τα υφιστάμενα δύσκαμπτα οδοστρώματα από σκυρόδεμα, αν και εμπειρικά κατασκευασμένα στους δασικούς δρόμους, έχουν κερδίσει την εμπιστοσύνη της Δασικής Υπηρεσίας που τα κατασκευάζει σε τμήματα των δασικών δρόμων με επαναλαμβανόμενες φθορές του καταστρώματος.Τα μέχρι τώρα εμπειρικά κατασκευασμένα δύσκαμπτα οδοστρώματα από σκυρόδεμα σε δασικούς δρόμους της Ηπείρου δεν έχουν κατασκευαστεί λαμβάνοντας υπόψη βασικές παραμέτρους όπως το κυκλοφοριακό φορτίο, την φέρουσα ικανότητα του εδάφους και την απαιτούμενη κατηγορία αντοχής του σκυροδέματος. Επιπλέον έχουν μεγάλο ενεργειακό αποτύπωμα και δεν χρησιμοποιήθηκαν καθόλου ανακυκλώσιμα υλικά ή βιομηχανικά παραπροϊόντα στο σκυρόδεμα που θα το καθιστούσαν πιο φιλικό στο περιβάλλον. Βασικό μειονέκτημα τους όμως είναι το αυξημένο τελικό κόστος τους σε σχέση με την διάρκεια ζωής τους.Οι δασικοί και ορεινοί δρόμοι είναι χαμηλού κυκλοφοριακού φόρτου και τα φορτία που διέρχονται σε αυτούς αν και βαριά δεν έχουν μεγάλη συχνότητα. Η καταγραφή του κυκλοφοριακού φορτίου σε δασικές και ορεινές εκτάσεις, όπως είναι ο ορεινός όγκος της Ηπείρου, με το εκτεταμένο δασικό οδικό δίκτυο και τις δυσχερείς χειμερινές κλιματικές συνθήκες, είναι ανέφικτη με επιτόπου παρατήρηση. Έτσι η εκτίμηση του κυκλοφοριακού φόρτου προσεγγίζεται από τον όγκο της μεταφοράς της παραγόμενης ξυλείας του δάσους, την ένταση της κτηνοτροφίας και τις εκμεταλλεύσεις που υπάρχουν μέσα σε δασικές και ορεινές εκτάσεις. Κατ’ αυτό τον τρόπο είναι εφικτό να υπολογιστεί το κυκλοφοριακό φορτίο για οποιαδήποτε δασική και ορεινή περιοχή μόνο με τα στοιχεία παραγωγής.Πριν από το σχεδιασμό και την διαστασιολόγηση των προτεινόμενων νέων δύσκαμπτων οδοστρωμάτων, αξιολογήθηκε εργαστηριακά η κατάσταση 50 υφιστάμενων δύσκαμπτων οδοστρωμάτων και καταγράφηκαν οι εδαφικές και περιβαλλοντικές παράμετροι των θέσεων κατασκευής τους. Εντοπίστηκαν σε περιοχές της Ηπείρου, οδοστρώματα από σκυρόδεμα στην πλειονότητα των μορφών δασοκάλυψης που συναντάμε στον Ελληνικό χώρο, σε υψόμετρα που ξεκινούν από τα 4m και φτάνουν τα 1190m (μέσο υψόμετρο 765m). Με βάση αυτή την καταγραφή, προσδιορίστηκαν τα προβλήματα που εμφανίζουν, έγινε κατηγοριοποίηση και ποσοτικοποίηση αυτών των προβλημάτων και ακολούθησε λήψη δοκιμίων σκυροδέματος και εδάφους στα οποία έγιναν εργαστηριακοί έλεγχοι.Προκειμένου να ελεγχθεί η επάρκεια σχεδιασμού των υφιστάμενων δύσκαμπτων οδοστρωμάτων έγινε διαστασιολόγηση εκ νέου με τις επικρατέστερες διεθνώς μεθόδους. Από τον έλεγχο προέκυψε ότι για την κατηγορία σκυροδέματος που χρησιμοποιήθηκε και τις συνθήκες που επικρατούσαν το πάχος του σκυροδέματος ήταν ανεπαρκές.Έχοντας συγκεντρώσει το σύνολο των συνθηκών και του απαιτούμενου κυκλοφοριακού φορτίου έγινε διαστασιολόγηση δύσκαμπτων οδοστρωμάτων για εύρος τιμών CBR από 2 έως 25, που υπερκαλύπτει τις εδαφικές συνθήκες που καταγράφηκαν στα βουνά της Ηπείρου. Η διαστασιολόγηση έγινε ακολουθώντας εμπειρικές, αναλυτικές και MEPDG μεθόδους με την εξίσωση 1993 AASHTO Empirical Equation for Rigid Pavements και τα λογισμικά SteetPave12 , LTPP Rigid Pavement Online και MnDOT M-E Design for Rigid Pavements. Από τους υπολογισμούς αναδεικνύεται ότι σκυρόδεμα κατηγορίας C20/25 με πάχος 15cm μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πλειονότητα των συνθηκών που επικρατούν σε δασικούς δρόμους της Ηπείρου, με κυκλοφοριακό φορτίο μέχρι και τριπλάσιο αυτού που υπολογίστηκε κατά μέσο όρο για τα παραγωγικά δάση της Ηπείρου.Επίσης, εξετάστηκε βιβλιογραφικά και σύμφωνα με την έρευνα που έχει προηγηθεί από το Εργαστήριο Δομικών Υλικών του Α.Π.Θ. πιο είναι το βέλτιστο περιβαλλοντικά και οικονομικά σκυρόδεμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε δύσκαμπτα οδοστρώματα δασικών δρόμων. Έχοντας υπολογίσει το κόστος συντήρησης των δασικών δρόμων χωρίς δύσκαμπτο οδόστρωμα και το κόστος κατασκευής νέου δύσκαμπτου οδοστρώματος, εξετάστηκε η οικονομικότητα των δύσκαμπτων οδοστρωμάτων σε δασικούς δρόμους με τη χρησιμοποίηση συμβατικού σκυροδέματος και την μείωση του κόστους που επιτυγχάνεται από την χρήση σκυροδέματος με υψηλή περιεκτικότητα σε τέφρα.Τα σημεία που ξεχωρίζουν σε όλες τις φάσεις της έρευνας είναι:•η ανάγκη σωστής προετοιμασίας και διαμόρφωσης του εδάφους πριν από την εφαρμογή του δύσκαμπτου οδοστρώματος•η ανάγκη κατασκευής σταθεροποιημένης τάφρου παράλληλα με το δύσκαμπτο οδόστρωμα όπου το έδαφος είναι ευδιάβρωτο•η οικονομικότητα και το μικρό περιβαλλοντικό αποτύπωμα των σκυροδεμάτων με μεγάλη περιεκτικότητα σε βιομηχανικά παραπροϊόντα, ιδιαίτερα ιπτάμενη τέφρα και σκωρία•η αποτελεσματικότητα του κυλινδρούμενου οδοστρώματος από σκυρόδεμα (RCC) σε δασικούς δρόμους Η ανάλυση και ο συγκερασμός όλων των παραμέτρων της έρευνας οδηγεί σε αυτό που ουσιαστικά λείπει στο σχεδιασμό των δύσκαμπτων οδοστρωμάτων από σκυρόδεμα σε δασικούς δρόμους: ένα σύστημα κατασκευής και διαχείρισης δασικού δύσκαμπτου οδοστρώματος (Forest Rigid Pavement Management System - FRPMS). Στην Ελλάδα οι δασικοί και ορεινοί δρόμοι σχεδιάζονται και μελετώνται κυρίως από δασολόγους υπό την επίβλεψη και έγκριση της κατά τόπους Δασικής Υπηρεσίας. Δεν υπάρχει κάποια τεχνική οδηγία ή προδιαγραφή για δύσκαμπτα οδοστρώματα από σκυρόδεμα σε δασικούς δρόμους. Η εφαρμογή αυτών των οδοστρωμάτων γίνεται χωρίς την ύπαρξη σχετικών προδιαγραφών και κατά την κρίση του εκάστοτε μελετητή και του αρμόδιου κατά τόπους Δασαρχείου. Η διαχείριση κατασκευής δασικού δύσκαμπτου οδοστρώματος (Forest Rigid Pavement Management System - FRPMS) που προκύπτει από την παρούσα έρευνα οδηγεί στην βελτιστοποίηση αυτών των οδοστρωμάτων για χρήση σε δασικές και ορεινές περιοχές.